Микрополоска

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 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 традиционной технологии волноводов , а также намного легче и компактнее. Микрополосковая линия была разработана лабораториями ITT как конкурент полосковой линии (впервые опубликована Григом и Энгельманном в декабре 1952 г. в протоколе IRE ^[1] ).

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.

По минимальной цене 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 данных USB, линии данных PCI Express, линии данных LVDS и т. Д., Часто все на одном и том же Печатная плата. ^[2]^[3]^[4] Большинство инструментов проектирования печатных плат поддерживают такие дифференциальные пары . ^[5]^[6]

Неоднородность [ править ]

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. Такое 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 ). ^[7] Продольные компоненты, однако, невелики, поэтому преобладающая мода называется квази-ТЕМ. ^[8]
Линия дисперсионная . С увеличением частоты эффективная диэлектрическая проницаемость постепенно приближается к диэлектрической проницаемости подложки, так что фазовая скорость постепенно уменьшается. ^[7]^[9] 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. ^[10] Низкочастотный предел характеристического сопротивления называется квазистатическим характеристическим сопротивлением и является одинаковым для всех определений характеристического сопротивления.
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. ^[11]

Характеристический импеданс [ править ]

Приближенное выражение в замкнутой форме для квазистатического характеристического импеданса микрополосковой линии было разработано Уилером : ^[12]^[13]^[14]

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:

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 асимптотикой точного решения в трех различных случаях:

$w ≫ h$ , любое $ε r$ (линия передачи с параллельными пластинами),
$w ≪ h$ , $ε r = 1$ (провод над землей) и
$w ≪ h$ , $ε r ≫ 1$ .

Утверждается, что для большинства других случаев погрешность импеданса составляет менее 1% и всегда составляет менее 2%. ^[14] Охватывая все соотношения сторон одной формулой, Уиллер 1977 улучшает формулу Уиллера 1965 ^[13], которая дает одну формулу для $w / h > 3,3,$ а другую - для $w / h \leq 3,3$ (тем самым вводя разрыв в результат при $w / ч = 3,3$ ).

Любопытно, что Гарольду Уиллеру не нравились термины «микрополосковый» и «характеристический импеданс», и он 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 ^[15], который модифицирует по Уиллеру, ^[12]^[13] , возможно, наиболее часто цитируется:

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, приблизительно равная:

\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 [ править ]

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. ^[16] Однако гораздо более распространенный метод, который требует меньшей площади подложки, - 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 заземляющим слоем 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. ^[17] Они пришли к выводу, что оптимальная процентная погрешность определяется соотношением

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

при $w / h \geq 0,25$ и диэлектрической проницаемости подложки $ε r \leq 25$ . Эта формула полностью не зависит от $ε r$ . Фактический диапазон параметров, для которых Дувиль и Джеймс представляют доказательства, составляет $0,25 \leq w / h \leq 2,75$ и $2,5 \leq ε r \leq 25$ . Они сообщают о КСВН лучше 1,1 (т. Е. Обратные потери лучше, чем –26 дБ) для любого процентного угла в пределах 4% (от исходного $d$ ) от значения, указанного по формуле. Минимум $ш / ч$ 0,25 процентное сужение составляет 98,4%, так что полоса почти прорезается.

Как для изогнутых, так и для скошенных изгибов электрическая длина несколько меньше физической длины пути полосы.

См. Также [ править ]

Распределенный элементный фильтр
Медленноволновый ответвитель
Spurline , режекторный микрополосковый фильтр

Ссылки [ править ]

^ Григ, DD; Энгельманн, Х.Ф. (декабрь 1952 г.). «Микрополосковый новый метод передачи для диапазона клиломегациклов». Труды ИРЭ . 40 (12): 1644–1650. DOI : 10.1109 / JRPROC.1952.274144 . ISSN 0096-8390 .
^ Олни, Барри. «Дифференциальная парная маршрутизация» (PDF) . п. 51.
^ Техасские инструменты (2015). «Рекомендации по макету высокоскоростного интерфейса» (PDF) . п. 10. SPRAAR7E. По возможности направьте сигналы высокоскоростной дифференциальной пары на верхний или нижний слой печатной платы со смежным слоем заземления. TI не рекомендует полосковую маршрутизацию высокоскоростных дифференциальных сигналов.
^ Intel (2000). «Рекомендации по проектированию высокоскоростной USB-платформы» (PDF) . п. 7. Архивировано из оригинального (PDF) 26.08.2018 . Проверено 27 ноября 2015 .
^ Silicon Labs. «Руководство по проектированию USB-оборудования» (PDF) . п. 9. AN0046.
^ Крегер, Jens (2014). «Передача данных с высокой скоростью через Kapton Flexprints для эксперимента Mu3e» (PDF) . С. 19–21.
^ a b Denlinger, EJ (январь 1971 г.). «Частотно-зависимое решение для микрополосковых линий передачи». IEEE Transactions по теории и методам микроволнового излучения . МТТ-19 (1): 30–39. Bibcode : 1971ITMTT..19 ... 30D . DOI : 10.1109 / TMTT.1971.1127442 .
^ Позар, Дэвид М. (2017). Издательство « Микроволновая инженерия Аддисон – Уэсли». ISBN 978-81-265-4190-4 .
↑ Кори, Х. (январь 1981). «Дисперсионные характеристики микрополосковых линий». IEEE Transactions по теории и методам микроволнового излучения . МТТ-29: 59–61.
^ Bianco, B .; Панини, Л .; Пароди, М .; Ридетлай, С. (март 1978 г.). «Некоторые соображения о частотной зависимости характеристического импеданса однородных микрополосков». IEEE Transactions по теории и методам микроволнового излучения . МТТ-26 (3): 182–185. Bibcode : 1978ITMTT..26..182B . DOI : 10.1109 / TMTT.1978.1129341 .
^ Олинер, Артур А. (2006). «Эволюция электромагнитных волноводов». В Саркаре, Таппан К .; Mailloux, Robert J .; Олинер, Артур А .; Салазар-Пальма, Магдалена; Сенгупта, Дипак Л. (ред.). История беспроводной связи . Серия Wiley по микроволновой и оптической технике. 177 . Джон Уайли и сыновья. п. 559. ISBN. 978-0-471-71814-7.
^ a b Уиллер, HA (май 1964). "Свойства линий передачи параллельных широких полос в приближении конформного отображения". IEEE Transactions по теории и методам микроволнового излучения . МТТ-12 (3): 280–289. Bibcode : 1964ITMTT..12..280W . DOI : 10.1109 / TMTT.1964.1125810 .
^ a b c Уиллер, HA (март 1965 г.). «Передаточные свойства параллельных полос, разделенных диэлектрической пластиной». IEEE Transactions по теории и методам микроволнового излучения . МТТ-13 (2): 172–185. Bibcode : 1965ITMTT..13..172W . DOI : 10.1109 / TMTT.1965.1125962 .
^ a b Уиллер, HA (август 1977 г.). «Линейные свойства полосы на диэлектрическом листе на плоскости». IEEE Transactions по теории и методам микроволнового излучения . МТТ-25 (8): 631–647. Bibcode : 1977ITMTT..25..631W . DOI : 10.1109 / TMTT.1977.1129179 .
^ EO Hammerstad (1975), "Уравнения для микрополосковой Circuit Design", 1975 5 Европейской Microwave конференции : 268-272, DOI : 10,1109 / EUMA.1975.332206
Перейти ↑ Lee, TH (2004). Планарная микроволновая техника . Издательство Кембриджского университета. С. 173–174.
^ Douville, RJP; Джеймс, Д.С. (март 1978 г.). «Экспериментальное исследование симметричных изгибов микрополосков и их компенсации». IEEE Transactions по теории и методам микроволнового излучения . МТТ-26 (3): 175–182. Bibcode : 1978ITMTT..26..175D . DOI : 10.1109 / TMTT.1978.1129340 .

Внешние ссылки [ править ]

Микрополосковая энциклопедия
Калькулятор микрополоскового анализа / синтеза

[1] Григ, DD; Энгельманн, Х.Ф. (декабрь 1952 г.). «Микрополосковый новый метод передачи для диапазона клиломегациклов». Труды ИРЭ . 40 (12): 1644–1650. DOI : 10.1109 / JRPROC.1952.274144 . ISSN 0096-8390 .

[2] Олни, Барри. «Дифференциальная парная маршрутизация» (PDF) . п. 51.

[3] Техасские инструменты (2015). «Рекомендации по макету высокоскоростного интерфейса» (PDF) . п. 10. SPRAAR7E. По возможности направьте сигналы высокоскоростной дифференциальной пары на верхний или нижний слой печатной платы со смежным слоем заземления. TI не рекомендует полосковую маршрутизацию высокоскоростных дифференциальных сигналов.

[4] Intel (2000). «Рекомендации по проектированию высокоскоростной USB-платформы» (PDF) . п. 7. Архивировано из оригинального (PDF) 26.08.2018 . Проверено 27 ноября 2015 .

[5] Silicon Labs. «Руководство по проектированию USB-оборудования» (PDF) . п. 9. AN0046.

[6] Крегер, Jens (2014). «Передача данных с высокой скоростью через Kapton Flexprints для эксперимента Mu3e» (PDF) . С. 19–21.

[denlinger1971-7] Denlinger, EJ (январь 1971 г.). «Частотно-зависимое решение для микрополосковых линий передачи». IEEE Transactions по теории и методам микроволнового излучения . МТТ-19 (1): 30–39. Bibcode : 1971ITMTT..19 ... 30D . DOI : 10.1109 / TMTT.1971.1127442 .

[8] Позар, Дэвид М. (2017). Издательство « Микроволновая инженерия Аддисон – Уэсли». ISBN 978-81-265-4190-4 .

[cory1981-9] Кори, Х. (январь 1981). «Дисперсионные характеристики микрополосковых линий». IEEE Transactions по теории и методам микроволнового излучения . МТТ-29: 59–61.

[bianco1978-10] Bianco, B .; Панини, Л .; Пароди, М .; Ридетлай, С. (март 1978 г.). «Некоторые соображения о частотной зависимости характеристического импеданса однородных микрополосков». IEEE Transactions по теории и методам микроволнового излучения . МТТ-26 (3): 182–185. Bibcode : 1978ITMTT..26..182B . DOI : 10.1109 / TMTT.1978.1129341 .

[11] Олинер, Артур А. (2006). «Эволюция электромагнитных волноводов». В Саркаре, Таппан К .; Mailloux, Robert J .; Олинер, Артур А .; Салазар-Пальма, Магдалена; Сенгупта, Дипак Л. (ред.). История беспроводной связи . Серия Wiley по микроволновой и оптической технике. 177 . Джон Уайли и сыновья. п. 559. ISBN. 978-0-471-71814-7.

[wheeler1964-12] Уиллер, HA (май 1964). "Свойства линий передачи параллельных широких полос в приближении конформного отображения". IEEE Transactions по теории и методам микроволнового излучения . МТТ-12 (3): 280–289. Bibcode : 1964ITMTT..12..280W . DOI : 10.1109 / TMTT.1964.1125810 .

[wheeler1965-13] Уиллер, HA (март 1965 г.). «Передаточные свойства параллельных полос, разделенных диэлектрической пластиной». IEEE Transactions по теории и методам микроволнового излучения . МТТ-13 (2): 172–185. Bibcode : 1965ITMTT..13..172W . DOI : 10.1109 / TMTT.1965.1125962 .

[wheeler1977-14] Уиллер, HA (август 1977 г.). «Линейные свойства полосы на диэлектрическом листе на плоскости». IEEE Transactions по теории и методам микроволнового излучения . МТТ-25 (8): 631–647. Bibcode : 1977ITMTT..25..631W . DOI : 10.1109 / TMTT.1977.1129179 .

[15] EO Hammerstad (1975), "Уравнения для микрополосковой Circuit Design", 1975 5 Европейской Microwave конференции : 268-272, DOI : 10,1109 / EUMA.1975.332206

[16] Перейти ↑ Lee, TH (2004). Планарная микроволновая техника . Издательство Кембриджского университета. С. 173–174.

[douville1978-17] Douville, RJP; Джеймс, Д.С. (март 1978 г.). «Экспериментальное исследование симметричных изгибов микрополосков и их компенсации». IEEE Transactions по теории и методам микроволнового излучения . МТТ-26 (3): 175–182. Bibcode : 1978ITMTT..26..175D . DOI : 10.1109 / TMTT.1978.1129340 .

[1]