Микрополосковый

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

Микрополосковый - это тип электрической линии передачи, который может быть изготовлен с помощью любой технологии, в которой проводник отделен от заземляющего слоя диэлектрическим слоем , известным как подложка. Микрополосковые линии используются для передачи сигналов сверхвысокой частоты.

Типичными технологиями реализации являются печатная плата, оксид алюминия, покрытый диэлектрическим слоем, или иногда кремний или некоторые другие аналогичные технологии. Компоненты СВЧ, такие как антенны, ответвители, фильтры, делители мощности и т. Д. может быть сформирован из микрополосков, при этом все устройство представляет собой узор металлизации на подложке. Таким образом, микрополосковая технология намного дешевле, чем традиционная технология волноводов, а также намного легче и компактнее. Микрополосковая линия была разработана лабораториями ITT в качестве конкурента stripline (впервые опубликована 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.

По самой низкой 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 интегральной схемой / монолитной микроволновой интегральной схемой могут быть осуществимы, 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 - это одна из многих форм планарной линии передачи, другие включают полосковую линию и копланарный волновод, и возможно объединить все из они на той же подложке.

Дифференциальная микрополосковая - симметричная сигнальная пара микрополосковых линий - часто используется для высокоскоростных сигналов, таких как DDR2 SDRAM тактовые частоты, USB Hi- Скорость линий данных, PCI Express линий данных, LVDS линий данных и т. Д., Часто все на одной печатной плате. Большинство инструментов проектирования печатных плат поддерживают такие дифференциальные пары.

• 1 Неоднородность
• 2 Характеристический импеданс
• 3 Изгибы
• 4 См. Также
• 5 Ссылки
• 6 Внешние ссылки

Электромагнитная волна, переносимая микрополосковой линией, частично существует в диэлектрической подложке и частично в воздухе над ней. Обычно 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. имеющей такую ​​же скорость распространения).

Дальнейшие последствия неоднородной среды включают:

• Линия не будет поддерживать истинную волну TEM ; на ненулевых частотах поля E и H будут иметь продольные компоненты (гибридная мода ). Однако продольные компоненты малы, поэтому доминирующая мода называется квази-ТЕМ.
• 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 незначительно изменяется с частотой (опять же, даже с недисперсным материалом подложки). Характеристический импеданс не-ТЕМ-мод 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 является одинаковым для всех определений характеристического импеданса.
• Волновое сопротивление изменяется по поперечному -часть 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.

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

$Z\; микрополосковой\; =\; Z\; 0\; 2\; \pi \; 2\; (1\; +\; \epsilon \; г)\; пер\; (1\; +\; 4\; hw\; eff\; (14\; +\; 8\; /\; \epsilon \; r\; 11\; 4\; hw\; eff\; +\; (14\; +\; 8\; /\; \epsilon \; r\; 11\; 4\; hw\; eff)\; 2\; +\; \pi \; 2\; 1\; +\; 1\; /\; \epsilon \; r\; 2)),\; \{\backslash \; displaystyle\; Z\; \_\; \{\backslash \; textrm\; \{microstrip\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{Z\_\; \{0\}\}\; \{2\; \backslash \; pi\; \{\backslash \; sqrt\; \{2\; (1+\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{r\})\}\}\}\}\; \backslash \; mathrm\; \{ln\}\; \backslash \; left\; (1\; +\; \{\backslash \; frac\; \{4h\}\; \{w\; \_\; \{\backslash \; textrm\; \{eff\}\}\}\}\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{14\; +\; 8\; /\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{r\}\}\; \{11\}\}\; \{\backslash \; frac\; \{4h\}\; \{w\; \_\; \{\backslash \; textrm\; \{eff\}\}\}\}\; +\; \{\backslash \; sq\; rt\; \{\backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{14\; +\; 8\; /\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{r\}\}\; \{11\}\}\; \{\backslash \; frac\; \{4h\}\; \{w\; \_\; \{\backslash \; textrm\; \{eff\}\}\}\}\; \backslash \; right)\; ^\; \{2\}\; +\; \backslash \; pi\; ^\; \{2\}\; \{\backslash \; frac\; \{1\; +\; 1\; /\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{r\}\}\; \{2\}\}\}\}\; \backslash \; right)\; \backslash \; right),\}$

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

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

Здесь Z 0 - это импеданс 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. w ≪ h, ε r ≫ 1.

Утверждается, что в большинстве других случаев ошибка импеданса составляет менее 1% и всегда меньше 2%. Охватывая все соотношения сторон в одной формуле, 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 приблизительных 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 по Уиллеру, возможно, наиболее часто цитируется:

$Z\; микрополоска\; =\; \{Z\; 0\; 2\; \pi \; \epsilon \; eff\; ln\; \; (8\; hw\; +\; w\; 4\; h),\; когда\; wh\; \le \; 1\; Z\; 0\; \epsilon \; eff\; [wh\; +\; 1.393\; +\; 0.667\; ln\; \; (wh\; +\; 1.444)],\; когда\; wh\; \ge \; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; Z\; \_\; \{\backslash \; textrm\; \{microstrip\}\}\; =\; \{\backslash \; begin\; \{cases\}\; \{\backslash \; dfrac\; \{Z\_\; \{0\}\}\; \{2\; \backslash \; pi\; \{\backslash \; sqrt\; \{\backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; textrm\; \{eff\}\}\}\}\}\}\; \backslash \; ln\; \backslash \; left\; (8\; \{\backslash \; dfrac\; \{h\}\; \{w\}\}\; +\; \{\backslash \; dfrac\; \{\; w\}\; \{4h\}\}\; \backslash \; right),\; \{\backslash \; text\; \{when\}\}\; \{\backslash \; dfrac\; \{w\}\; \{h\}\}\; \backslash \; leq\; 1\; \backslash \backslash \; \{\backslash \; dfrac\; \{Z\_\; \{0\}\}\; \{\{\backslash \; sqrt\; \{\backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; textrm\; \{eff\}\}\}\; \backslash \; left\; [\{\backslash \; frac\; \{w\}\; \{h\}\}\; +\; 1,393\; +\; 0,667\; \backslash \; ln\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{w\}\; \{h\}\}\; +\; 1,444\; \backslash \; right)\; \backslash \; right]\}\; \},\; \{\backslash \; text\; \{when\}\}\; \{\backslash \; dfrac\; \{w\}\; \{h\}\}\; \backslash \; geq\; 1\; \backslash \; end\; \{ases\}\}\}$

где ε eff - эффективная диэлектрическая проницаемость, аппроксимированная как :

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

Для построения полная схема 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 сужение составляет 100x / d.

В первом приближении резкий изгиб без сужения ведет себя как шунтирующая емкость, помещенная между пластиной 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 геометрий микрополосков был экспериментально определен Дувилем и Джеймсом. Они обнаружили, что оптимальное соответствие оптимальной процентной усадки дается следующим образом:

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

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 VSWR лучше, чем 1,1 (т. Е., возвратные потери лучше, чем -26 дБ) для любого процентного угла в пределах 4% (от исходного d) от значения, указанного по формуле. При минимальной w / h 0,25 процентное скос составляет 98,4%, так что полоса почти прорезается.

И для изогнутого, и для скошенного изгиба электрическая длина несколько короче, чем физическая длина пути полосы.

• Фильтр распределенного элемента
• Медленноволновый элемент связи
• Spurline, микрополосковый режекторный фильтр

• Microstrip in Microwave Encyclopedia
• Микрополосковый анализ / калькулятор синтеза