Microstrip - Microstrip

Tverrsnitt av microstrip geometri. Leder (A) er skilt fra jordplanet (D) med dielektrisk substrat (C). Øvre dielektrikum (B) er vanligvis luft.

Microstrip er en type elektrisk overføringsledning som kan fremstilles med hvilken som helst teknologi der en leder er skilt fra et jordplan med et dielektrisk lag kjent som substratet. Microstriplines brukes til å formidle mikrobølgefrekvenssignaler .

Typiske realiseringsteknologier er kretskort , aluminiumoksyd belagt med et dielektrisk lag eller noen ganger silisium eller noen annen lignende teknologi. Mikrobølgeovnskomponenter som antenner , koblinger , filtre , effektdelere etc. kan dannes av mikrostripe, med hele enheten som mønster av metallisering på underlaget. Microstrip er dermed mye billigere enn tradisjonell bølgelederteknologi , i tillegg til at den er langt lettere og mer kompakt. Microstrip ble utviklet av ITT-laboratorier som en konkurrent til stripline (først publisert av Grieg og Engelmann i IRE-prosessen i desember 1952).

Ulempene med microstrip sammenlignet med bølgeleder er generelt lavere kapasitetshåndteringskapasitet og høyere tap. I motsetning til bølgeleder er microstrip vanligvis ikke lukket, og er derfor utsatt for krysspråk og utilsiktet stråling.

For de laveste prisene kan mikrostripsenheter bygges på et vanlig FR-4 (standard PCB) substrat. Imidlertid blir det ofte funnet at de dielektriske tapene i FR4 er for høye ved mikrobølgefrekvenser, og at den dielektriske konstanten ikke er tilstrekkelig tett kontrollert. Av disse grunner blir et aluminiumoksydsubstrat ofte brukt. Fra monolitisk integrasjonsperspektiv kan mikrotrips med integrert krets / monolitisk mikrobølgeovn integrerte kretsteknologier være mulige, men deres ytelse kan være begrenset av det / de dielektriske lagene og ledertykkelsen som er tilgjengelig.

Microstrip-linjer brukes også i høyhastighets digital PCB-design, hvor signaler må dirigeres fra en del av enheten til en annen med minimal forvrengning, og unngå høy krysspråk og stråling.

Microstrip er en av mange former for plan overføringslinje , andre inkluderer stripline og coplanar bølgeleder , og det er mulig å integrere alle disse på samme underlag.

En differensial mikrostrip - et balansert signalpar av microstrip linjer - brukes ofte til høyhastighets signaler som DDR2 SDRAM klokker, USB Hi-Speed datalinjer, PCI Express datalinjer, LVDS datalinjer, etc., ofte alt på samme PCB. De fleste PCB-designverktøy støtter slike differensialpar .

Inhomogenitet

Den elektromagnetiske bølgen som bæres av en mikrostripelinje, eksisterer delvis i det dielektriske substratet, og delvis i luften over den. Generelt vil substratets dielektriske konstant være annerledes (og større) enn luftens, slik at bølgen beveger seg i et inhomogent medium. Som en konsekvens er forplantningshastigheten et sted mellom radiobølgenes hastighet i underlaget, og hastigheten til radiobølgene i luften. Denne oppførselen blir ofte beskrevet ved å angi den effektive dielektriske konstanten (eller effektiv relativ permittivitet) til mikrobåndet; dette er den dielektriske konstanten til et ekvivalent homogent medium (dvs. en som resulterer i samme forplantningshastighet).

Ytterligere konsekvenser av et inhomogent medium inkluderer:

• Linjen støtter ikke en ekte TEM- bølge; ved ikke-null frekvenser vil både E- og H-feltene ha langsgående komponenter (en hybridmodus ). De langsgående komponentene er imidlertid små, og så blir den dominerende modusen referert til som kvasi-TEM.
• Linjen er spredt . Med økende frekvens klatrer den effektive dielektriske konstanten gradvis mot substratets, slik at fasehastigheten gradvis synker. Dette gjelder selv med et ikke-dispersivt substratmateriale (substratets dielektriske konstant faller vanligvis med økende frekvens).
• Den karakteristiske impedansen til linjen endres litt med frekvensen (igjen, selv med et ikke-dispersivt substratmateriale). Den karakteristiske impedansen til ikke-TEM-modus er ikke unikt definert, og avhengig av den nøyaktige definisjonen som brukes, stiger, faller eller faller impedansen til microstrip med økende frekvens. Lavfrekvensgrensen for den karakteristiske impedansen blir referert til som den kvasi-statiske karakteristiske impedansen, og er den samme for alle definisjoner av karakteristisk impedans.
• Den bølgemotstands varierer over tverrsnittet av ledningen.
• Microstrip-linjer utstråler og diskontinuitetselementer som stubber og stolper, som ville være rene reaktanser i stripline, har en liten resistiv komponent på grunn av strålingen fra dem.

Karakteristisk impedans

Et lukket form tilnærmet uttrykk for den kvasi-statiske karakteristiske impedansen til en mikrostripelinje ble utviklet av Wheeler :

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

der w _eff er den effektive bredden , som er den faktiske bredden på stripen, pluss en korreksjon for å ta hensyn til metalliseringens ikke-null tykkelse:

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

Her Z ₀ er den impedans ledig plass , ε _r er den relative permittiviteten av substrat, w er bredden av strimmelen, h er tykkelsen ( "høyde") av substrat, og t er tykkelsen av båndet metalliseringen.

Denne formelen er asymptotisk for en nøyaktig løsning i tre forskjellige tilfeller:

1. w ≫ h , hvilken som helst ε _r (parallell plateoverføringsledning),
2. w ≪ h , ε _r = 1 (ledning over et jordplan), og
3. w ≪ h , ε _r ≫ 1 .

Det hevdes at for de fleste andre tilfeller er feilen i impedans mindre enn 1%, og er alltid mindre enn 2%. Ved å dekke alle størrelsesforhold i en formel, forbedrer Wheeler 1977 Wheeler 1965 som gir en formel for w / h > 3.3 og en annen for w / h ≤ 3.3 (og dermed introduserer en diskontinuitet i resultatet ved w / h = 3.3 ).

Merkelig nok likte Harold Wheeler både begrepene 'mikrostrip' og 'karakteristisk impedans', og unngikk å bruke dem i papirene sine.

En rekke andre tilnærmede formler for den karakteristiske impedansen er blitt fremført av andre forfattere. Imidlertid gjelder de fleste av disse bare for et begrenset utvalg av bildeforhold, ellers dekker de hele området stykkevis.

Spesielt er det sett med ligninger som Hammerstad foreslår, som endrer seg på Wheeler, det som oftest blir sitert:

${\ displaystyle Z _ {\ textrm {microstrip}} = {\ begin {cases} {\ dfrac {Z_ {0}} {2 \ pi {\ sqrt {\ varepsilon _ {\ textrm {eff}}}}}} \ ln \ left (8 {\ dfrac {h} {w}} + {\ dfrac {w} {4h}} \ right), & {\ text {when}} {\ dfrac {w} {h}} \ leq 1 \\ {\ dfrac {Z_ {0}} {{\ sqrt {\ varepsilon _ {\ textrm {eff}}}} \ left [{\ frac {w} {h}} + 1.393 + 0.667 \ ln \ left ({\ frac {w} {h}} + 1.444 \ right) \ right]}}, og {\ text {når}} {\ dfrac {w} {h}} \ geq 1 \ end {cases}}}$

der ε _eff er den effektive dielektriske konstanten, tilnærmet som:

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

Bøyer

For å bygge en komplett krets i microstrip, er det ofte nødvendig at banen til en stripe svinger gjennom en stor vinkel. En brå 90 ° bøyning i en mikrostrip vil føre til at en betydelig del av signalet på stripen reflekteres tilbake mot kilden, med bare en del av signalet overført rundt svingen. Et middel for å utføre en sving med lav refleksjon, er å kurve banen til stripen i en bue med radius minst 3 ganger stripebredden. Imidlertid er en langt mer vanlig teknikk, og en som bruker et mindre område av underlaget, å bruke en avbøyd bøyning.

Microstrip 90 ° bukt. Den prosentvise gjæringen er 100 x / d .

Til en første tilnærming oppfører en brå, uhindret bøyning seg som en shuntkapasitans plassert mellom bakkeplanet og svingen i stripen. Mitring av bøyen reduserer metalliseringsområdet, og fjerner dermed overflødig kapasitans. Den prosentvise gjæringen er den kuttefraksjonen av diagonalen mellom de indre og ytre hjørnene av den uhindrede bøyningen.

Den optimale gjæringen for et bredt spekter av mikrostripgeometrier er bestemt eksperimentelt av Douville og James. De finner at en god passform for den optimale prosenten gjæring er gitt av

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

utsatt for w / h ≥ 0,25 og med substratets dielektriske konstant ε _r ≤ 25 . Denne formelen er helt uavhengig av ε _r . Det faktiske området for parametere som Douville og James presenterer bevis for, er 0,25 ≤ w / h ≤ 2,75 og 2,5 ≤ ε _r ≤ 25 . De rapporterer en VSWR på bedre enn 1,1 (dvs. et avkastningstap bedre enn −26 dB) for en prosentvis gjæring innenfor 4% (av den opprinnelige d ) av den som er gitt av formelen. Ved minimum w / t på 0,25 er prosentandelen gjæring 98,4%, slik at stripen er nesten gjennomskåret.

For både de buede og lindede svingene er den elektriske lengden noe kortere enn stripens fysiske banelengde.

Se også

• Distribuert elementfilter
• Langsombølgekobling
• Spurline , et mikrostrip- hakkfilter

Referanser

Eksterne linker

• Microstrip i mikrobølgeovnens leksikon
• Microstrip Analysis / Synthesis Calculator