Микрополосковый - Microstrip

Поперечное сечение геометрии микрополоски. Проводник (A) отделен от плоскости заземления (D) диэлектрической подложкой (C). Верхний диэлектрик (B) обычно воздух.

Микрополосковых представляет собой тип электрической линии передачи , который может быть изготовлен с любой технологией , где проводник отделен от плоскости земли с помощью диэлектрического слоя , известного в качестве субстрата. Микрополосковые линии используются для передачи сигналов микроволнового диапазона.

Типичными технологиями реализации являются печатная плата , оксид алюминия с диэлектрическим слоем, иногда кремний или некоторые другие аналогичные технологии. Микроволновые компоненты, такие как антенны , ответвители , фильтры , делители мощности и т. Д., Могут быть сформированы из микрополосковых полос, при этом все устройство будет существовать в виде рисунка металлизации на подложке. Таким образом, микрополосковая технология намного дешевле, чем традиционная волноводная технология, а также намного легче и компактнее. Микрополосковая линия была разработана лабораториями ITT в качестве конкурента полосковой линии (впервые опубликованной Григом и Энгельманном в декабре 1952 г. в протоколе IRE).

Недостатками микрополосковой передачи по сравнению с волноводом являются обычно более низкая пропускная способность по мощности и более высокие потери. Кроме того, в отличие от волновода, микрополосковая часть обычно не закрыта и поэтому подвержена перекрестным помехам и непреднамеренному излучению.

При наименьшей стоимости микрополосковые устройства могут быть построены на обычной подложке FR-4 (стандартная печатная плата). Однако часто обнаруживается, что диэлектрические потери в FR4 слишком высоки на микроволновых частотах, и что диэлектрическая проницаемость не контролируется достаточно точно. По этим причинам обычно используется подложка из оксида алюминия . С точки зрения монолитной интеграции микротрипы с интегральными схемами / монолитными микроволновыми интегральными схемами могут быть возможны, однако их производительность может быть ограничена доступным диэлектрическим слоем (слоями) и толщиной проводника.

Микрополосковые линии также используются в проектах высокоскоростных цифровых печатных плат, где сигналы необходимо направлять от одной части сборки к другой с минимальными искажениями, избегая сильных перекрестных помех и излучения.

Микрополосковая линия является одной из многих форм планарной линии передачи , другие включают в себя полосковую линию и копланарный волновод , и все они могут быть интегрированы на одной подложке.

Дифференциальная микрополосковая пара - сбалансированная сигнальная пара микрополосковых линий - часто используется для высокоскоростных сигналов, таких как тактовые частоты DDR2 SDRAM , высокоскоростные линии передачи данных USB, линии данных PCI Express, линии данных LVDS и т. Д., Часто все на одном и том же Печатная плата. Большинство средств проектирования печатных плат поддерживают такие дифференциальные пары .

Неоднородность

Электромагнитная волна, переносимая микрополосковой линией, частично существует в диэлектрической подложке и частично в воздухе над ней. В общем, диэлектрическая проницаемость подложки будет отличаться (и больше) от диэлектрической проницаемости воздуха, так что волна распространяется в неоднородной среде. Следовательно, скорость распространения находится где-то между скоростью радиоволн в субстрате и скоростью радиоволн в воздухе. Это поведение обычно описывается указанием эффективной диэлектрической проницаемости (или эффективной относительной диэлектрической проницаемости) микрополоски; это диэлектрическая проницаемость эквивалентной однородной среды (т. е. среды, обеспечивающей одинаковую скорость распространения).

Дальнейшие последствия неоднородной среды включают:

• Линия не будет поддерживать истинную волну ТЕА ; на ненулевых частотах поля E и H будут иметь продольные компоненты ( гибридная мода ). Однако продольные компоненты малы, поэтому преобладающая мода называется квази-ПЭМ.
• Линия дисперсионная . С увеличением частоты эффективная диэлектрическая проницаемость постепенно приближается к диэлектрической проницаемости подложки, так что фазовая скорость постепенно уменьшается. Это верно даже для недисперсионного материала подложки (диэлектрическая проницаемость подложки обычно падает с увеличением частоты).
• Характеристический импеданс линии слегка изменяется с частотой (опять же , даже с материалом недисперсионной подложки). Характеристический импеданс мод, не относящихся к ПЭМ, не определяется однозначно, и в зависимости от используемого точного определения импеданс микрополоскового сигнала либо увеличивается, либо падает, либо падает, а затем увеличивается с увеличением частоты. Низкочастотный предел характеристического импеданса называется квазистатическим характеристическим импедансом и одинаков для всех определений характеристического импеданса.
• Волновое сопротивление изменяется по поперечному сечению линии.
• Микрополосковые линии излучают, а элементы разрыва, такие как штыри и стойки, которые были бы чистыми реактивными сопротивлениями в полосковой линии, имеют небольшую резистивную составляющую из-за излучения от них.

Характеристический импеданс

Приближенное выражение в замкнутой форме для квазистатического характеристического импеданса микрополосковой линии было разработано Уилером :

${\ displaystyle Z _ {\ textrm {microstrip}} = {\ frac {Z_ {0}} {2 \ pi {\ sqrt {2 (1+ \ varepsilon _ {r})}}}} \ mathrm {ln} \ left (1 + {\ frac {4h} {w _ {\ textrm {eff}}}} \ left ({\ frac {14 + 8 / \ varepsilon _ {r}} {11}} {\ frac {4h} { w _ {\ textrm {eff}}}} + {\ sqrt {\ left ({\ frac {14 + 8 / \ varepsilon _ {r}} {11}} {\ frac {4h} {w _ {\ textrm {eff) }}}} \ right) ^ {2} + \ pi ^ {2} {\ frac {1 + 1 / \ varepsilon _ {r}} {2}}}} \ right) \ right),}$

где w _eff - эффективная ширина , которая представляет собой фактическую ширину полосы, плюс поправку на ненулевую толщину металлизации:

${\ displaystyle w _ {\ textrm {eff}} = w + t {\ frac {1 + 1 / \ varepsilon _ {r}} {2 \ pi}} \ ln \ left ({\ frac {4e} {\ sqrt {\ left ({\ frac {t} {h}} \ right) ^ {2} + \ left ({\ frac {1} {\ pi}} {\ frac {1} {w / t + 11/10 }} \ right) ^ {2}}}} \ right).}$

Здесь Z ₀ - полное сопротивление свободного пространства , ε _r - относительная диэлектрическая проницаемость подложки, w - ширина полосы, h - толщина («высота») подложки, а t - толщина металлизации полосы.

Эта формула является асимптотической к точному решению в трех различных случаях:

1. w ≫ h , любое ε _r (линия передачи с параллельными пластинами),
2. w ≪ h , ε _r = 1 (провод над землей), и
3. ш « ч , е _г » 1 .

Утверждается, что для большинства других случаев ошибка импеданса составляет менее 1% и всегда менее 2%. Охватывая все соотношения сторон одной формулой, Wheeler 1977 улучшает формулу Wheeler 1965, которая дает одну формулу для w / h > 3,3, а другую - для w / h ≤ 3,3 (таким образом, вводя разрыв в результате при w / h = 3,3 ).

Любопытно, что Гарольд Уиллер не любил термины «микрополосковый» и «характеристический импеданс» и избегал их использования в своих статьях.

Ряд других приближенных формул для характеристического импеданса был предложен другими авторами. Однако большинство из них применимо только к ограниченному диапазону соотношений сторон или же покрывают весь диапазон кусочно.

В частности, система уравнений, предложенная Хаммерстадом, который модифицирует Уиллера, возможно, наиболее часто цитируется:

${\ displaystyle Z _ {\ textrm {microstrip}} = {\ begin {cases} {\ dfrac {Z_ {0}} {2 \ pi {\ sqrt {\ varepsilon _ {\ textrm {eff}}}}}} \ ln \ left (8 {\ dfrac {h} {w}} + {\ dfrac {w} {4h}} \ right), & {\ text {when}} {\ dfrac {w} {h}} \ leq 1 \\ {\ dfrac {Z_ {0}} {{\ sqrt {\ varepsilon _ {\ textrm {eff}}}} \ left [{\ frac {w} {h}} + 1,393 + 0,667 \ ln \ left ({\ frac {w} {h}} + 1.444 \ right) \ right]}}, & {\ text {when}} {\ dfrac {w} {h}} \ geq 1 \ end {cases}}}$

где ε _eff - эффективная диэлектрическая проницаемость, аппроксимируемая как:

${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ textrm {eff}} = {\ frac {\ varepsilon _ {\ textrm {r}} + 1} {2}} + {\ frac {\ varepsilon _ {\ textrm {r}} -1} {2}} \ left ({\ frac {1} {\ sqrt {1 + 12 (h / w)}}} \ right).}$

Изгибы

Чтобы построить полную схему в микрополоске, часто необходимо, чтобы путь полосы поворачивался на большой угол. Резкий изгиб микрополоски на 90 ° приведет к тому, что значительная часть сигнала на полосе будет отражаться обратно к его источнику, при этом только часть сигнала будет передаваться вокруг изгиба. Одним из способов создания изгиба с низким коэффициентом отражения является изгибание траектории полосы по дуге с радиусом, по меньшей мере, в 3 раза превышающим ее ширину. Однако гораздо более распространенный метод, который требует меньшей площади основания, - это использование изгиба под углом.

Микрополосковый изгиб под углом 90 °. Процентное митра 100 x / d .

В первом приближении резкий изгиб без сужения ведет себя как шунтирующая емкость, помещенная между плоскостью заземления и изгибом полосы. Сглаживание изгиба уменьшает площадь металлизации и, таким образом, устраняет избыточную емкость. Процентный угол наклона - это отрезок диагонали между внутренним и внешним углами изгиба без скоса.

Оптимальный угол наклона для широкого диапазона геометрии микрополосков был экспериментально определен Дувилем и Джеймсом. Они пришли к выводу, что оптимальное процентное соотношение под углом

${\ displaystyle M = 100 {\ frac {x} {d}} \% = (52 + 65e ^ {- (27/20) (w / h)}) \%}$

при w / h ≥ 0,25 и диэлектрической проницаемости подложки ε _r ≤ 25 . Эта формула полностью не зависит от ε _r . Фактический диапазон параметров, для которого Дувиль и Джеймс представляют доказательства, составляет 0,25 ≤ w / h ≤ 2,75 и 2,5 ≤ ε _r ≤ 25 . Они сообщают о КСВН лучше 1,1 (т. Е. Обратные потери лучше, чем –26 дБ) для любого процентного угла в пределах 4% (от исходной d ) от значения, заданного формулой. При минимальной w / h 0,25 процентное скос составляет 98,4%, так что полоса почти прорезается.

Как для изогнутых, так и для угловых изгибов электрическая длина несколько короче физической длины пути полосы.

Смотрите также

• Распределенный элементный фильтр
• Медленноволновый ответвитель
• Spurline , режекторный микрополосковый фильтр

Рекомендации

внешние ссылки

• Микрополосковая энциклопедия
• Калькулятор микрополоскового анализа / синтеза