Hochgeschwindigkeitsschaltungen benötigen saubere Signale. Keine Verzerrungen und keine Störungen. Deshalb verwenden PCB-Designer Streifenleitungen. Eine Streifenleitung ist eine Art Übertragungsleitung, die zwischen den Leiterplattenlagen eingebettet ist. Sie isoliert Signale und schützt sie vor externem Rauschen. Das ist besonders wichtig bei HF-, Mikrowellen- und digitalen Hochfrequenzschaltungen.
Aber wie funktioniert es? Warum ist es einem Mikrostreifen vorzuziehen? Und was sollten Sie wissen, bevor Sie eines entwerfen? In diesem Blog erfahren Sie es.
Was ist eine PCB-Streifenleitung?
Ein Streifenleiter ist ein Leiter, der zwischen zwei Masseflächen innerhalb einer Leiterplatte platziert wird. Er ist vollständig in der Platine vergraben – im Gegensatz zu Mikrostreifenleitern, die auf der Außenseite platziert sind.
Durch dieses Design sind Streifenleitungen elektromagnetisch abgeschirmt. Signale werden mit minimalen Störungen übertragen. Das Ergebnis: weniger Übersprechen und mehr Konsistenz.
So kann man es ganz einfach verstehen:
• Ein Mikrostreifen ist wie eine Straße – offen und allem ausgesetzt.
• Eine Streifenleitung ist wie eine U-Bahn – geschützt und von der Außenwelt isoliert.
Streifenleitungen werden häufig in folgenden Bereichen verwendet:
• Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten für bessere Signalintegrität.
• HF- und Mikrowellenschaltungen.
• Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungselektronik.
• Mehrschichtige Leiterplatten mit dichtem Routing.
Warum eine Streifenleitung verwenden?
Warum also einen Streifenleiter statt eines Mikrostreifenleiters wählen?
1. Weniger Lärm und elektromagnetische Störungen
Streifenleitungen befinden sich zwischen zwei Masseflächen. Sie wirken wie eine Abschirmung und blockieren Störungen durch externe Signale.
2. Bessere Signalintegrität
Bei Hochgeschwindigkeitsdesigns kann es zu einer Signalverschlechterung kommen, ohne dass es zu Problemen kommt. Streifenleitungen bieten eine konstante Impedanz, die Verzerrungen reduziert.
3. Kein Strahlungsverlust
Da Streifenleitungen in der Leiterplatte vergraben sind, strahlen sie nicht so viel Energie ab wie Mikrostreifenleitungen. Das bedeutet weniger Verluste.
4. Kompaktes Routing
Bei dichten Leiterplatten kann die Signalführung auf der Oberfläche schwierig sein. Streifenleitungen helfen durch die Nutzung innerer Lagen und sorgen für ein übersichtliches Platinenlayout.
Allerdings gibt es auch Nachteile. Streifenleitungen sind nicht einfach herzustellen. Sie erfordern eine präzise Schichtanordnung und eine präzise Dielektrizitätssteuerung. Außerdem sind die Verluste aufgrund des umgebenden Dielektrikums höher.
Deshalb stellen sie nicht immer die beste Wahl dar. Es kommt auf die Bauform an.
Design-Überlegungen
Beim Design mit Streifenleitungen sind einige Dinge zu beachten. Wir erklären sie im Folgenden.
1. Materialauswahl: Das Material, das die Streifenleitung umgibt, ist entscheidend. Es wird als Dielektrikum bezeichnet. Verschiedene Materialien haben unterschiedliche Eigenschaften, wie beispielsweise die Dielektrizitätskonstante. Diese beeinflusst die Signalgeschwindigkeit durch die Leitung. Sie müssen ein Material wählen, das Ihren spezifischen Anforderungen an Geschwindigkeit und Signalqualität entspricht.
2. Leiterbahnbreite: Die Breite der Kupferleiterbahn im Streifenleiter bestimmt deren Widerstand. Eine breitere Leiterbahn bedeutet einen geringeren Widerstand, was zur Aufrechterhaltung der Signalstärke beitragen kann. Eine schmalere Leiterbahn hingegen erhöht die Impedanz. Die richtige Leiterbahnbreite ist entscheidend für die richtige Impedanz Ihrer Schaltung.
3. Dielektrische Dicke: Auch die Dicke des Dielektrikums zwischen Leiterbahn und Referenzebene spielt eine Rolle. Dickere Dielektrika können das Signal verlangsamen, dünnere beschleunigen es. Das richtige Gleichgewicht zu finden, ist wichtig, um sowohl die Signalgeschwindigkeit als auch die Signalintegrität zu optimieren.
4. Schichtung: Die Streifenleitung ist vollständig umschlossen. Daher sind mehr Lagen auf der Leiterplatte erforderlich. Dies erhöht zwar die Komplexität des Designs, bietet aber eine bessere Leistung, insbesondere bei Hochfrequenzanwendungen. Mehr Lagen bedeuten zwar mehr Aufwand in der Fertigung, aber die Vorteile lohnen sich oft.
Streifenleitungen haben ihre Vorteile, erfordern aber eine sorgfältige Planung. Materialien, Leiterbahnbreite und -dicke spielen eine wichtige Rolle für das Verhalten der Streifenleitung. Wenn Sie diese Details richtig berücksichtigen, wird Ihr Design deutlich leistungsfähiger, Rauschen wird reduziert und eine saubere Signalübertragung gewährleistet.
Formel für die Streifenleitungsimpedanz
Die richtige Impedanz ist beim PCB-Design entscheidend. Ist sie nicht korrekt, können Signale reflektiert werden und Probleme verursachen. Streifenleitungen folgen einer bestimmten Formel zur Impedanzberechnung. Hier eine vereinfachte Version:
Kennzahlen:
• Z0 ist die charakteristische Impedanz (gemessen in Ohm).
• εr ist die Dielektrizitätskonstante des Materials.
• h ist der Abstand zwischen der Spur und der Massefläche.
• w ist die Spurbreite.
• t ist die Spurdicke.
Diese Formel hilft Ingenieuren, Schaltungen mit der richtigen Impedanz zu entwerfen. Die Anpassung der Impedanzen reduziert Signalverluste und verbessert die Zuverlässigkeit. Falls Ihnen das kompliziert erscheint, keine Sorge. Viele PCB-Design-Tools verfügen über einen integrierten Streifenleitungsimpedanzrechner, der die Berechnung für Sie übernimmt.
So verwenden Sie einen Streifenleitungsimpedanzrechner
Wenn manuelle Berechnungen nicht Ihr Ding sind, keine Sorge. Viele Online-Tools können die Berechnung für Sie übernehmen. So funktionieren sie:
1. Geben Sie die Materialeigenschaften ein. Die meisten Rechner fragen nach der Dielektrizitätskonstante (εr) und der Schichtdicke.
2. Geben Sie die Spurbreite und -dicke ein. Diese Werte wirken sich direkt auf die Impedanz aus.
3. Legen Sie den Abstand zwischen den Ebenen fest– der Abstand zwischen der Spur und der Referenzebene ist wichtig.
4. Klicken Sie auf „Berechnen“. Das Tool gibt Ihnen den genauen Impedanzwert an.
Die Verwendung eines Streifenleitungsimpedanzrechners spart Zeit und reduziert Fehler. Viele PCB-Design-Programme verfügen über integrierte Rechner für diesen Zweck.
Streifenleitung vs. Mikrostreifen: Was ist der Unterschied?
Streifenleitung und Mikrostreifen werden oft verglichen, da sie ähnliche Funktionen erfüllen. Es gibt jedoch wesentliche Unterschiede.
1. Platzierung
• Streifenleitungen sind in der Leiterplatte vergraben und von dielektrischem Material umgeben.
• Mikrostreifen sitzen auf der Oberfläche der Leiterplatte und sind auf einer Seite freigelegt.
2. Abschirmung
• Streifenleitungen sind vollständig umschlossen. Dies schützt die Signale vor externem Rauschen.
• Mikrostreifen sind anfälliger für Störungen, da eine Seite freiliegt.
3. Impedanzkontrolle
• Streifenleitungen bieten eine stabilere Impedanz. Dies ist bei Hochgeschwindigkeitsschaltungen hilfreich.
• Mikrostreifen können durch externe Faktoren beeinflusst werden, wodurch die Impedanz schwerer zu kontrollieren ist.
4. Herstellungskosten
• Streifenleitungen erfordern mehr Leiterplattenlagen. Dies erhöht die Kosten und die Komplexität.
• Mikrostreifen sind einfacher und billiger herzustellen.
Welches ist also besser? Es kommt darauf an. Ein PCB-Streifenleiter ist ideal für Hochgeschwindigkeits- und rauscharme Anwendungen. Mikrostreifenleiter eignen sich gut für einfachere Designs, die weniger Abschirmung benötigen.
Fazit
Streifenleitungen sind im modernen PCB-Design unverzichtbar. Sie bieten hervorragende Signalintegrität, Impedanzkontrolle und Rauschschutz. Im Gegensatz zu Mikrostreifenleitungen sind sie vollständig umschlossen, was Störungen reduziert. Sie erfordern jedoch mehr Lagen und präzise Berechnungen.
Achten Sie bei der Entwicklung von Streifenleitungen auf die Wahl des richtigen Dielektrikums. Passen Sie Leiterbahnbreite und -dicke sorgfältig an. Verwenden Sie außerdem einen Impedanzrechner, um genaue Werte zu erhalten.
Streifenleitungen erfordern zwar zusätzlichen Aufwand, verbessern aber die Leistung. Wenn Ihr Projekt Hochgeschwindigkeitssignale umfasst, sind sie eine Überlegung wert. Wünschen Sie sich einen unkomplizierten Ansatz? Viele PCB-Design-Tools vereinfachen den Prozess. Nutzen Sie sie, um Ihr PCB-Streifenleitungslayout zu optimieren und optimale Ergebnisse zu erzielen.
