Bei Hochgeschwindigkeits-Leiterplattendesigns sind Übertragungsleitungen zentrale Strukturen, die die Signalintegrität gewährleisten müssen. Die meisten Fehler auf den Übertragungsleitungen in elektronischen Schaltungen entstehen durch Wechselwirkung, Verlust und Verzerrung, die durch Störungen der heutigen schnelllebigen Digital- und Kommunikationssysteme entstehen. Zu den gängigsten Übertragungsleitungstypen in Leiterplattendesigns zählen zwei charakteristische Typen: Streifenleitung und Mikrostreifenleitung.
Doch was genau sind Streifenleitungen und Mikrostreifenleitungen und welchen Einfluss haben sie auf die Leiterplattenleistung? Dieser Artikel untersucht diese beiden Übertragungsleitungen, analysiert ihre Strukturen, Funktionsprinzipien und Vorteile und kommt zu einem endgültigen Schluss: Wann ist für optimale Signalleistung und höhere Fertigungseffizienz die Verwendung von Mikrostreifenleitungen anstelle von Streifenleitungen sinnvoll?
Was ist Stripline?
Es handelt sich um eine der praktischen Übertragungsleitungen auf einer Leiterplatte, die Hochfrequenzsignale störungsfrei übertragen kann. Der letzte Teil des Wortes ist eher ein gewöhnlicher Begriff, da es sich lediglich um den Pfad für vergrabene elektrische Signale in den Leiterplattenschichten handelt. Daher ist es für Mehrschichtplatinen, bei denen die Signalintegrität eine wichtige Rolle spielt, vorzuziehen.
Es wird häufig in Anwendungen eingesetzt, in denen Hochgeschwindigkeitsschaltungen und Kommunikationssysteme zum Einsatz kommen. Dank seiner charakteristischen Eigenschaften und der Abschirmung ermöglicht der Streifenleiter die verlust- und störungsfreie Übertragung sehr komplexer Signale. Daher findet er breite Anwendung in Bereichen, in denen Präzision und Stabilität gefragt sind.
Struktur der Streifenleitung:
Die Streifenleitungskonfiguration ist einfach, aber hocheffizient. Der Leiter besteht aus zwei Schichten, die mit Dielektrikum bedeckt sind. Zwischen den beiden Schichten befinden sich zwei Masseflächen; eine befindet sich oberhalb der Struktur, die andere unterhalb. Diese Masseflächen dienen als Abschirmung, sodass äußere Störgeräusche das Signal nicht beeinträchtigen. Dadurch kann das Signal schnell und ohne Störungen durch äußere Störgeräusche über die Platine übertragen werden.
Funktionsprinzip der Streifenleitung:
Die über Streifenleitungen übertragenen Signale sind vollständig abgeschirmt. Die Masseflächen schirmen den Leiter ab, sodass Interferenzen mit anderen Komponenten minimiert werden. In dieser Konfiguration ist die Impedanz konstant und für die Signalintegrität unerlässlich. Die Signalintegrität bleibt bei stabilen Signalbedingungen bei hohen Frequenzen erhalten.
Vorteile von Stripline:
1. Abschirmung gegen andere Störer: Der größte Vorteil einer Streifenleitung ist ihre hervorragende Abschirmung. Da der Leiter vollständig umschlossen ist, ist er optimal vor elektromagnetischen Störungen geschützt. Jede Schaltung mit hoher Geschwindigkeit benötigt Immunität gegen Störungen auf hohem Pegel, da selbst geringe Störungen die Leistung der Schaltung beeinträchtigen können.
2. Ausgeglichene ImpedanzDa es sich um eine Sandwichkonstruktion von innen nach außen handelt, weist der Streifenleiter in der Regel eine ausgeglichene Impedanz auf. Das bedeutet, dass das Signal während der Übertragung über die Leiterplatte völlig ungestört und mit minimaler Wahrscheinlichkeit von Verzerrungen oder Signalverlusten übertragen wird.
Nachteile von Stripline:
1. Komplexität in der Herstellung: Die Herstellung von Mikrostreifenleitern ist im Vergleich zu Streifenleitungen am aufwendigsten. Eine höhere Anzahl von Schichten und ein Leiter in der Nähe der Massefläche erhöhen die Komplexität und führen somit zu höheren Kosten.
2. Planare Beschränkungen: Da die Streifenleitung geriffelt ist, nimmt sie auf einer Leiterplatte mehr Platz ein als beispielsweise ein Koaxialkabel. Dies wiederum führt dazu, dass die Leiterplatten im Durchschnitt dicker werden, was bei kompakten Designs problematisch werden kann.
Was ist Microstrip?
Die Mikrostreifenleitung wird aufgrund ihres einfachen und effizienten Hochfrequenzdesigns häufig in Leiterplatten eingesetzt. Im Gegensatz zur Streifenleitung liegt die Mikrostreifenleitung auf der Oberfläche der Leiterplatte und ist daher einfach herzustellen und einzusetzen. Darüber hinaus wird sie aufgrund ihres einfachen und kostengünstigen Designs häufig in HF-Schaltungen und Mikrowellengeräten eingesetzt.
Es zeichnet sich durch ein kostengünstiges Design, einen geringeren Platzbedarf und eine einfache Herstellung aus und ist daher weit verbreitet. Es überträgt ein Hochfrequenzsignal und ist in Kommunikationssystemen, Radarsystemen und Hochgeschwindigkeitselektronik sehr beliebt.
Konfiguration des Mikrostreifens:
Der Aufbau ist deutlich weniger komplex als bei Streifenleitungen. Bei Mikrostreifenleitern liegt ein Leiter auf einer dielektrischen Oberflächenschicht und berührt die darunterliegende Massefläche nur mit einer Seite. Der Mikrostreifenleiter hat eine offene Konfiguration, bei der die Oberseite des Leiters im Gegensatz zu anderen Übertragungsleitungen der Luft ausgesetzt ist. Diese umgekehrte Massefläche lenkt zwar das Signal, erhöht aber die Belastung dieser Seite, wodurch das Signal deutlich weniger gegen mögliche externe Störungen abgeschirmt wird.
Funktionsprinzip von Microstrip:
Beim Mikrostreifenleiter läuft das Signal entlang der Oberseite des Leiters. Da sich nur eine Massefläche an der Unterseite befindet, sind die elektromagnetischen Felder um den Leiter herum anfällig für Störungen aus der Umgebung. Das Signal gelangt nur über Teilbereiche in die Luft und ist somit Störquellen ausgesetzt. Dank des Hochfrequenzbetriebs und der geringen Kosten ist ein solches Design jedoch aufgrund seiner Einfachheit möglich.
Vorteile von Microstrip:
1. Hervorragendes Kostennutzenverhältnis : Der Bestand aller Rohstoffe und Schichten wird gespart, sodass die Produktionskosten sinken.
2. Verfügbar für die Fertigung: Da weniger Schichten benötigt werden, ist die Herstellung von Mikrostreifen im Vergleich zu Streifenleitungen weniger kompliziert und einfacher.
Nachteile von Microstrip:
1. Hohe Störanfälligkeit: Mikrostreifen sind sehr anfällig für Störungen von außen, da sie einen nahezu vernachlässigbaren Widerstand haben.
2. Schlechtes Gleichgewicht: Dieses Kabel muss entsprechend abgeschirmt sein. Die Impedanz ist daher nicht konstant. Daher wird die Qualität dieses Signals abnehmen.
Mikrostreifenleitung vs. Streifenleitung: Eine vergleichende Analyse
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Aspekt
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Streifenleitung
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Mikros
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Strukturelle Variation
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Die hohe Abschirmimpedanz ist gewährleistet, da die Abschirmung durch die Platzierung von zwei Masseflächen zwischen Streifenleitungen gewährleistet wird, die auf beiden Seiten durch zwei Schichten dielektrischen Materials umschlossen sind.
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Ein Mikrostreifen wird über der dielektrischen Schicht angebracht, berührt aber nur eine Seite der Massefläche. Dadurch ist der Aufbau deutlich einfacher, allerdings auch anfälliger für Störungen.
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Vergleich der Betriebskapitalkosten
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Dies ist ein Streifenleitungsdesign: Die Signale sind gekapselt und somit vor äußeren Störquellen geschützt. Gilt vor allem für den Hochfrequenzbereich.
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Mikrostreifensignale verlaufen entlang der Oberfläche. Eine teilweise Abschirmung verringert die Störfestigkeit, sodass die Leistung in empfindlichen Umgebungen beeinträchtigt wird.
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Charakteristische Impedanz
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Während Streifenleitungen und Mikrostreifenleitungen eine bestimmte Impedanz aufweisen, führt die symmetrische Streifenleitungskonfiguration zu gleichmäßigen Ergebnissen.
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Die Impedanz von Mikrostreifenleitern variiert. Bei hohen Frequenzen kann der Mikrostreifenleiter die Impedanz nicht steuern. Daher werden CPW-Koplanarwellenleiter damit kombiniert.
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Übertragungsverluste
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Die Streifenleitungskonfiguration ist im Vergleich zur Mikrostreifenkonfiguration die beste Lösung zur Reduzierung von Verlusten.
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Da die koplanaren CPW-Wellenleiter den Signalverlust verringern, begrenzen sie elektromagnetische Felder besser als herkömmliche Mikrostreifen.
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Effizienz und Signalintegrität
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Stripline bietet eine hervorragende Signalintegrität bis hin zu relativ komplexen Mehrschichtdesigns.
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Koplanare Übertragungsleitungen sind eine Zwischenlösung, die die Signalintegrität ohne die Komplikationen von Streifenleitungen verbessert.
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Anwendungsnutzungsszenarien
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Streifenleitungen werden in digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen und mehrschichtigen Leiterplatten eingesetzt, um das Rauschen zu minimieren und so die Signalintegrität sicherzustellen.
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Mikrostreifen sind noch anfälliger für Störungen. Mikrostreifen werden hauptsächlich dort eingesetzt, wo Designfreundlichkeit und Kosten bei HF-Designs, drahtlosen Systemen und einfacheren Schaltungen eine entscheidende Rolle spielen.
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Routenunterschiede
Mikrostreifen-Routing-Techniken
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Standard-Mikrostreifen-Routing
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Oberflächenrouting wird manchmal für einfache Hochfrequenzdesigns verwendet.
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Routendifferenzpaare
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Leitet die Signale zusammen, um Rauschen zu reduzieren. Wird häufig in Hochgeschwindigkeitsanwendungen eingesetzt.
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Eingebettetes Microstrip-Routing
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Es ist störsicher in die Leiterplatte integriert.
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Stripline-Routing-Stile
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Standard-Streifenleitungsführung
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Es ist weit verbreitet in mehrschichtigen Leiterplatten, bei denen das Signal abgeschirmt werden muss.
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Koplanare Streifenleitungsführung
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Es führt mehrere Masseflächen für eine bessere Leistung ein.
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Breitseitig gekoppeltes Stripline-Routing
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Der Platz ist so gering, aber das Hochgeschwindigkeitssignal muss gesendet werden.
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Designprobleme bei Streifenleitungen und Mikrostreifen
Impedanzkontrollfaktoren
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Dielektrizitätskonstante (εr)
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Es zeigt Impedanzschwankungen dielektrischer Natur, obwohl die Werte für εr eher vernachlässigbar sind.
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Praktische Dielektrizitätskonstante (εeff)
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Diese Impedanz variiert je nach Schichtaufbau.
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Leiterbahnbreite und -dicke
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Eine breitere und dickere Spur verändert den Signalpfad und damit die Impedanz.
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Minimierungstechnik Verlust
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Für Stripline
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All dies muss mit dem bestmöglichen Trace-Design erfolgen.
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Für Mikrostreifen
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Verluste sollen durch eine ordnungsgemäße Erdung sowie eine verringerte Exposition minimiert werden.
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Überlegungen zum Design mehrschichtiger Leiterplatten
Dies würde daher eine Verwaltung der Signalqualität in den Streifenleitungen und Mikrostreifen einer mehrschichtigen Leiterplatte erfordern. Die Qualität kann durch Leiterbahnbreiten, Lagenstapel und Impedanzanpassung gesteuert werden.
Fazit
Es gibt zwei Möglichkeiten: den Streifenleiter, der besser konzipiert und komplexer in der Herstellung ist, aber eine höhere Signalintegrität bietet, wenn er als Abschirmung verwendet wird, und den Mikrostreifenleiter, der einfacher und deutlich günstiger ist, aber auch deutlich störanfälliger. Dies hängt von Ihrer Anwendung, den Kosten und der Leistung ab.
