Nella progettazione di PCB ad alta frequenza e alta velocità, la scelta della corretta struttura della linea di trasmissione –stripline o microstrip—è fondamentale per garantire l’integrità del segnale, ridurre al minimo le interferenze e bilanciare l’economicità. Entrambe le strutture servono come elementi costitutivi fondamentali per i circuiti RF/microonde e i sistemi digitali ad alta velocità, ma le loro geometrie e i loro comportamenti elettromagnetici distinti ne dettano l’idoneità per applicazioni specifiche. Questo articolo analizza le differenze principali tra stripline e microstrip, esplorandone la progettazione, le proprietà elettriche e le implicazioni pratiche per gli ingegneri PCB.
Cos'è Stripline e Microstrip?
Stripline:
Una stripline è una linea di trasmissione incorporata con una traccia conduttiva centrale inserita tra due piani di massa/alimentazione paralleli, completamente racchiusa da un materiale dielettrico uniforme. La traccia è instradata su un livello interno del PCB, schermata da interferenze esterne.
Microstrip:
Un microstriscia è una linea di trasmissione montata in superficie costituita da una singola traccia conduttiva sullo strato superiore/inferiore del PCB, un substrato dielettrico e un singolo piano di massa/alimentazione sotto il substrato. La traccia è parzialmente esposta all’aria (o coperta da maschera di saldatura), creando un ambiente dielettrico ibrido.
Fondamenti strutturali e modalità di propagazione
Microstriscia: Montata in superficie e propagazione quasi-TEM
Una microstriscia consiste in una traccia conduttiva sullo strato esterno del PCB, separata da un singolo piano di massa da un substrato dielettrico (ad esempio, FR4). La sua struttura espone la traccia a due ambienti dielettrici: il substrato sottostante e l’aria sopra. Questa asimmetria dà origine a una modalità quasi-trasversale elettromagnetica (quasi-TEM), in cui i campi elettrici sono parzialmente confinati nel substrato e parzialmente irradiano nell’aria. Di conseguenza, la costante dielettrica efficace (εeff) – una media ponderata della permittività del substrato (εr) e della permittività dell’aria (εr=1) – detta la velocità di fase e l’impedenza, rendendo le microstrisce dipendenti dalla frequenza e dispersive.
Struttura:
Modalità di propagazione:
Modalità quasi-TEM (quasi-trasversale elettromagnetica), in cui i campi elettrici esistono sia nel dielettrico che nell’aria, portando a una dispersione dipendente dalla frequenza.
Stripline: Propagazione schermata e TEM
Una stripline è incorporata tra due piani di massa paralleli, completamente racchiusa da un materiale dielettrico. Questa struttura simmetrica supporta una modalità TEM pura, con campi elettrici e magnetici completamente confinati all’interno del dielettrico. A differenza delle microstrisce, le stripline non presentano dispersione perché l’ambiente dielettrico uniforme garantisce una velocità di fase e un’impedenza indipendenti dalla frequenza. L’assenza di esposizione all’aria elimina anche le perdite per irraggiamento, rendendo le stripline intrinsecamente schermate e adatte ad ambienti ad alta interferenza.
Struttura:
Modalità di propagazione:
Modalità TEM pura (trasversale elettromagnetica), con campi completamente confinati all’interno del dielettrico, garantendo l’assenza di dispersione di frequenza.
Tipi di stripline e microstriscia
1. Sottotipi di linea a microstriscia
Le microstriscia sono categorizzate in base alle loro configurazioni geometriche, agli ambienti dielettrici e ai requisiti specifici dell’applicazione:
a. Microstriscia di base
b. Microstriscia incorporata
c. Coppia di microstriscia differenziale
d. Microstriscia complanare
e. Microstriscia sospesa
2. Sottotipi di stripline
Le stripline sono classificate in base alla simmetria, agli strati dielettrici e alla complessità del routing:
a. Stripline di base
b. Stripline simmetrica
c. Stripline asimmetrica
d. Coppia di linea a striscia differenziale
e. Linea a striscia coplanare
f. Linea a striscia a banda larga
3. Variazioni ibride
Alcuni progetti combinano elementi microstrip e stripline per esigenze specifiche:
a. Transizione da microstrip a stripline
b. Stripline incorporata con overlay microstrip
4. Contrasto con altre linee di trasmissione
Sebbene l’attenzione sia focalizzata su microstrip e stripline, altri tipi sono menzionati nei documenti:
| Type | Structure | Key Feature |
|---|---|---|
| Coplanar Waveguide | Trace with side-by-side ground planes on the same layer | Easy impedance tuning for RF circuits; natural shielding |
| Slotline | Signal propagates through a slit in a ground plane | Used in microwave antennas and balanced circuits |
| Parallel-Plate Waveguide | Two parallel conductive plates with a dielectric in between | Broadband, low-loss performance; high-power applications |
Punti chiave
Caratteristiche elettriche: impedenza, perdita e velocità
Impedenza caratteristica
Impedenza Microstrip:
Where:
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I microstrip offrono un intervallo di impedenza più ampio (20–120 Ω) ma richiedono tracce più larghe per la stessa impedenza rispetto alle stripline.
Impedenza Stripline:
Where:
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Le stripline supportano impedenze più elevate (35–250 Ω) con tracce più strette, grazie all’ambiente completamente dielettrico.
Quando si calcola l’impedenza caratteristica di microstrip e stripline, l’utilizzo di strumenti professionali aumenta la precisione della progettazione. Visita Calcolatore di impedenza PCB per inserire parametri come la costante dielettrica e la larghezza della traccia e ottenere valori di impedenza in tempo reale (supporta calcoli per microstrip, stripline e coppie differenziali), evitando errori derivanti dalla derivazione manuale delle formule.
Perdita di segnale e velocità
Velocità del segnale Microstrip:
Where:
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Velocità del segnale Stripline:
Le perdite sono principalmente dovute alla resistività del conduttore e allo smorzamento dielettrico, senza perdita per radiazione. L’ambiente completamente dielettrico rallenta la velocità del segnale ma garantisce prestazioni costanti.
Where:
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Considerazioni di progettazione e produzione
Struttura a strati e costo
Controllo dell'impedenza e diafonia
Applicazioni e linee guida pratiche
Quando usare Microstrip
Quando usare Stripline
Applicazioni e linee guida pratiche
Caso di studio 1: Microstriscia nelle antenne 5G ad array
Scenario: Un array di antenne di una stazione base 5G richiede linee di trasmissione compatte ed economiche per le reti di sfasamento.
Soluzione: Le microstrisce sono utilizzate per elementi radianti e linee di alimentazione grazie alla loro struttura esposta, che consente l’accoppiamento con l’aria per la radiazione. Ad esempio, l’antenna Massive MIMO 5G di Samsung utilizza microstrisce con un substrato Rogers RT/duroid 5880 (εr=2.2) per ottenere un funzionamento a 28 GHz. La modalità quasi-TEM consente agli ingegneri di regolare l’impedenza (50 Ω) tramite la larghezza della traccia (w=0.3 mm, h=0.762 mm), bilanciando l’efficienza di radiazione e il costo.
Vantaggio: Le microstrisce eliminano la necessità di strati schermati costosi, riducendo il peso e la complessità della fabbricazione negli array di antenne.
Caso di studio 2: Stripline nei data center ad alta velocità
Scenario: Una scheda madre di switch Ethernet da 400G richiede un routing del segnale a bassa latenza e senza EMI per le connessioni backplane.
Soluzione: Le stripline sono incorporate negli strati interni della scheda madre per instradare coppie differenziali (ad esempio, PCIe 5.0, 32 GT/s). Ad esempio, il chipset server Intel Ice Lake utilizza stripline con un core FR4 (εr=4.4) e un’impedenza differenziale di 100 Ω. I doppi piani di massa sopprimono le interferenze tra 100+ canali ad alta velocità, garantendo BER < 10^-12 a 25 GHz.
Vantaggio: La modalità TEM delle stripline minimizza la dispersione, fondamentale per mantenere l’integrità del segnale su tracce backplane di 30 cm.
Caso di studio 3: Microstriscia-Stripline ibrida nei radar automobilistici
Scenario: Una scheda madre di switch Ethernet da 400G richiede un routing del segnale a bassa latenza e senza EMI per le connessioni backplane.
Soluzione: Le stripline sono incorporate negli strati interni della scheda madre per instradare coppie differenziali (ad esempio, PCIe 5.0, 32 GT/s). Ad esempio, il chipset server Intel Ice Lake utilizza stripline con un core FR4 (εr=4.4) e un’impedenza differenziale di 100 Ω. I doppi piani di massa sopprimono le interferenze tra 100+ canali ad alta velocità, garantendo BER < 10^-12 a 25 GHz.
Vantaggio: La modalità TEM delle stripline minimizza la dispersione, fondamentale per mantenere l’integrità del segnale su tracce backplane di 30 cm.
Caso di studio 4: Stripline in apparecchiature MRI mediche
Scenario: Una bobina transceiver di uno scanner MRI da 3T richiede una perdita ultra-bassa e un isolamento EMI per rilevare deboli segnali biologici.
Soluzione: Le stripline con un dielettrico PTFE (εr=2.1) sono utilizzate per le connessioni della bobina RF, racchiuse in strati rivestiti di rame per prevenire interferenze con il campo magnetico. Il sistema SIGNA™ MR di GE Healthcare impiega 50 stripline Ω con h=0.5 mm e w=0.1 mm, raggiungendo fattori Q > 1000 a 128 MHz.
Vantaggio: La schermatura delle stripline elimina le interferenze tra 32 canali riceventi, fondamentale per l’imaging ad alta risoluzione.
Caso di studio 5: Microstrip nei router Wi-Fi consumer
Scenario: Un router Wi-Fi 6 (802.11ax, 2.4/5 GHz) richiede un routing del segnale economico per più antenne.
Soluzione: Microstriscia su un PCB FR4 a 4 strati (εr=4.4) collega il SoC (ad esempio, Qualcomm IPQ8074) a duplexer e antenne montati in superficie. Le tracce (w=1.2 mm, h=1.6 mm) raggiungono un’impedenza di 50 Ω con <0.5 dB di perdita a 5 GHz.
Risparmio sui costi: Le microstriscia riducono il numero di strati del 50% rispetto alle stripline, riducendo i costi del PCB da $25 a $15 nella produzione ad alto volume.
Conclusione
Stripline e microstriscia rappresentano due pilastri della progettazione di linee di trasmissione PCB, ciascuna ottimizzata per scenari distinti. Le microstriscia eccellono in semplicità, convenienza ed prestazioni moderate, mentre le stripline offrono una schermatura, un’integrità del segnale e una capacità ad alta frequenza superiori. Valutando fattori quali la frequenza, i requisiti di impedenza e i vincoli ambientali, gli ingegneri possono selezionare la struttura ottimale per bilanciare prestazioni e praticità nell’elettronica moderna.
In sintesi, la scelta tra microstriscia e stripline richiede di bilanciare le esigenze di impedenza con le considerazioni sui costi. Suggeriamo di utilizzare Calcolatore di impedenza PCB per assistenza alla progettazione: inserire i parametri del materiale e geometrici per ottenere i valori di impedenza caratteristica e differenziale con un clic, aumentando l’efficienza della progettazione di PCB ad alta velocità.
Suggerimento finale: Per progetti ibridi, combinare entrambe le strutture: utilizzare microstriscia per i componenti montati in superficie e stripline per il routing interno ad alta velocità, sfruttando i loro punti di forza complementari.
