Микрополоски в высокочастотном проектировании печатных плат

По мере того, как электронные устройства развиваются в скорости и сложности, проектирование высокочастотных печатных плат (PCB) становится очень важным. При проектировании различных линий передачи сигналов микрополосковая линия стала одним из наиболее часто используемых вариантов из-за своей простой структуры и хороших характеристик.

В этом блоге давайте рассмотрим основную информацию о микрополосках печатных плат:

Структура mмикрополоска lINE

Основные характеристика of mмикрополоскаs

Приложения mмикрополоскаs

Микрополосковая против sтриплайн

Короче говоря, если вы хотите разработать высокоскоростные и эффективные печатные платы, ключевым моментом является понимание характеристик и вариантов применения микрополосковых линий.

Что такое микрополосковая линия и ее структура

Микрополосковая линия — это электрическая линия передачи, обычно используемая в печатных платах для передачи высокочастотных или радиочастотных сигналов. Ее структура очень проста и в основном состоит из трех слоев:

1. Вверху находится тонкая токопроводящая металлическая линия, обычно из меди, которая является «магистралью» для передачи сигнала;

2. Средний слой — диэлектрический материал (типа FR-4 или других высокочастотных материалов), обеспечивающий изоляцию;

3. Внизу находится заземляющая пластина, которая обеспечивает опорный потенциал и обратный путь.

Структура похожа на «сэндвич», в котором сигнал проходит через верхнюю дорожку, а электромагнитное поле частично проходит через слой диэлектрика ниже и частично распространяется в воздухе. Это означает, что электрическое поле не распространяется полностью внутри диэлектрика. Это гибридная линия передачи, передающая «половину в воздухе, половину в диэлектрике».

По этой причине скорость распространения сигнала и характеристики микрополосковой линии зависят от обеих сред — воздуха и диэлектрического слоя. Это смешанное распространение означает, что мы не можем описать ее электрические свойства с помощью одной диэлектрической постоянной. Вместо этого мы используем эффективную диэлектрическую постоянную для учета комбинированных эффектов.

Значение этой эффективной диэлектрической проницаемости напрямую влияет на импеданс микрополоска, который, в свою очередь, определяет, может ли сигнал передаваться надежно. Поэтому в процессе проектирования инженеры должны выполнять расчет импеданса микрополоска с использованием формул или программного обеспечения для моделирования, чтобы обеспечить надлежащее согласование импеданса и избежать отражения или искажения сигнала.

•  εr: Диэлектрическая проницаемость материала подложки (например, FR-4 ≈ 4.5)

•  H: Высота (толщина) диэлектрика между дорожкой и заземляющей плоскостью

•  W: Ширина микрополосковой дорожки

Геометрия линии — ширина проводника, толщина диэлектрика и материал подложки — определяет импеданс микрополоска. Правильный расчет этого импеданса необходим для предотвращения потери сигнала и обеспечения надлежащей целостности сигнала. Различные онлайн-инструменты могут помочь в расчете импеданса микрополоска с учетом эффективной диэлектрической проницаемости.

Основные преимущества микрополосковых кабелей

Микрополосковые линии широко используются в разработке высокочастотных схем, главным образом потому, что они имеют много преимуществ с точки зрения производства, конструкции, стоимости и гибкости применения.

• Простота изготовления:

По сравнению с другими сложными линиями передачи, микрополосковая требует только сигнальную линию на верхнем слое печатной платы и непрерывную заземляющую плоскость на нижнем слое. Середина изолирована слоем диэлектрического материала. Вся структура не требует многослойной укладки или других специальных процессов упаковки, что значительно упрощает процесс производства печатной платы и подходит для массового производства.

• Компактный размер:

Микрополоски занимают только один сигнальный слой и один слой заземления печатной платы, что экономит больше вертикального пространства, чем встроенные линии передачи, такие как полосковые линии. Это особенно важно в контексте миниатюризации современных устройств. Особенно в приложениях с чрезвычайно высокими требованиями к пространству, таких как мобильные телефоны, спутниковые модули и бортовые системы, микрополоски становятся идеальным выбором.

• Бюджетный:

Благодаря меньшему количеству слоев, простой структуре и низким требованиям к оборудованию для обработки общая стоимость производства микрополосковой печатной платы намного ниже, чем у многослойной упаковки или встроенных структур. Это делает ее особенно подходящей для чувствительных к стоимости продуктов, таких как бытовая электроника, устройства IoT и средне- и низкочастотные радиочастотные модули.

• Поддерживает сложные схемы:

Микрополосковая линия может не только передавать высокочастотные сигналы, но и гибко строить общие функциональные модули RF, такие как делители мощности, ответвители и микрополосковые фильтры. Ее способность реализовывать эти функции в плоской структуре делает схемы более компактными и простыми в компоновке.

Поэтому многие инженеры склонны выбирать микрополосковые, особенно когда нет необходимости в чрезвычайно высокой изоляции или низком уровне ЭМП. Преимущества удобного производства, гибкой компоновки и контролируемой стоимости делают их более экономически эффективным решением в практической инженерии.

Ограничения микрополосковой технологии

Хотя микрополосковая линия имеет много преимуществ, она также имеет некоторые ограничения:

• Радиационные потери: Сигналы частично подвергаются воздействию воздуха, что увеличивает электромагнитные помехи.

• Целостность сигнала: Чувствителен к изменениям субстрата и температуры.

• Более низкая изоляция по сравнению с полосковыми конструкциями.

Применение микрополосковых линий

Микрополосковые линии используются в широком спектре радиочастотных и микроволновых приложений, включая:

•  Микрополосковые фильтры для обработки сигнала

•  Патч-антенны для беспроводной связи

•  Линии передачи с согласованным импедансом

•  Радарные и спутниковые системы

Микрополосковая и полосковая линии: в чем разница?

Полосковая линия — это часто используемая структура маршрутизации в многослойных печатных платах. В отличие от микрополосковой линии, полосковая линия размещает сигнальный след между двумя заземляющими плоскостями, полностью окруженными диэлектрическим материалом, для формирования симметричной структуры. Такая конструкция помогает уменьшить помехи и шум, улучшая целостность сигнала, что делает ее особенно подходящей для высокоскоростной или высокочастотной передачи сигнала.

Сравнение микрополосковых и полосковых линий часто возникает при проектировании печатных плат. Давайте сравним их в таблице:

Заключение

В высокочастотном проектировании печатных плат микрополосковая линия играет решающую роль благодаря своей простой структуре, универсальности применения и контролируемому импедансу. Хотя в споре о микрополосковой и полосковой линиях нет однозначного ответа, микрополосковая линия печатной платы обеспечивает практический баланс между производительностью и технологичностью, что делает ее предпочтительным выбором во многих приложениях.