Bei der Entwicklung von Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten ist die Wahl der richtigen Übertragungsleitungsstruktur – Streifenleitung oder Mikrostreifen – entscheidend für die Gewährleistung der Signalintegrität, die Minimierung von Interferenzen und die Optimierung der Kosteneffizienz. Beide Strukturen dienen als grundlegende Bausteine für HF-/Mikrowellenschaltungen und digitale Hochgeschwindigkeitssysteme, aber ihre unterschiedlichen Geometrien und elektromagnetischen Eigenschaften bestimmen ihre Eignung für bestimmte Anwendungen. Dieser Artikel analysiert die wesentlichen Unterschiede zwischen Streifenleitung und Mikrostreifen, untersucht deren Designs, elektrische Eigenschaften und praktische Auswirkungen für Leiterplatteningenieure.
Was sind Stripline und Microstrip?
Streifenleitung:
Eine Stripline ist eine eingebettete Übertragungsleitung mit einer zentralen leitfähigen Leiterbahn, die zwischen zwei parallelen Masse-/Spannungsflächen angeordnet und vollständig von einem einheitlichen dielektrischen Material umgeben ist. Die Leiterbahn ist auf einer internen Leiterplattenebene verlegt und vor externen Störungen abgeschirmt.
Mikrostreifen:
Ein Mikrostreifen ist eine oberflächenmontierte Übertragungsleitung, die aus einer einzelnen leitfähigen Leiterbahn auf der oberen/unteren Schicht der Leiterplatte, einem dielektrischen Substrat und einer einzelnen Masse-/Spannungsfläche unterhalb des Substrats besteht. Die Leiterbahn ist teilweise der Luft ausgesetzt (oder durch eine Lötmaske abgedeckt), wodurch eine hybride dielektrische Umgebung entsteht.
Strukturelle Grundlagen und Ausbreitungsmodi
Mikrostreifen: Oberflächenmontiert und Quasi-TEM-Ausbreitung
Ein Mikrostreifen besteht aus einer leitfähigen Leiterbahn auf der Außenlage der Leiterplatte, die durch ein dielektrisches Substrat (z. B. FR4) von einer einzigen Grundplatte getrennt ist. Durch seine Struktur ist die Leiterbahn zwei dielektrischen Umgebungen ausgesetzt: dem Substrat darunter und der Luft darüber. Diese Asymmetrie führt zu einem quasi-transversalen elektromagnetischen Modus (quasi-TEM), bei dem elektrische Felder teilweise auf das Substrat beschränkt sind und teilweise in die Luft abstrahlen. Infolgedessen bestimmt die effektive Dielektrizitätskonstante (εeff) – ein gewichteter Durchschnitt aus der Permittivität des Substrats (εr) und der Permittivität der Luft (εr=1) – die Phasengeschwindigkeit und Impedanz, wodurch Mikrostreifen frequenzabhängig und dispersiv werden.
Struktur:
Ausbreitungsmodus:
Quasi-TEM-Modus (quasi-transversal elektromagnetisch), bei dem elektrische Felder sowohl im Dielektrikum als auch in der Luft vorhanden sind, was zu einer frequenzabhängigen Dispersion führt.
Stripline: Abgeschirmt und TEM-Ausbreitung
Eine Streifenleitung ist zwischen zwei parallelen Grundflächen eingebettet und vollständig von einem dielektrischen Material umgeben. Diese symmetrische Struktur unterstützt einen reinen TEM-Modus, wobei elektrische und magnetische Felder vollständig innerhalb des Dielektrikums eingeschlossen sind. Im Gegensatz zu Mikrostreifen weisen Streifenleitungen keine Dispersion auf, da die gleichmäßige dielektrische Umgebung eine frequenzunabhängige Phasengeschwindigkeit und Impedanz gewährleistet. Da sie keiner Luft ausgesetzt sind, entstehen auch keine Strahlungsverluste, sodass Streifenleitungen von Natur aus abgeschirmt und für Umgebungen mit starken Störungen geeignet sind.
Struktur:
Ausbreitungsmodus:
Reiner TEM-Modus (transversal elektromagnetisch), wobei die Felder vollständig innerhalb des Dielektrikums eingeschlossen sind, wodurch keine Frequenzdispersion gewährleistet ist.
Arten von Streifenleitern und Mikrostreifen
1. Untertypen von Mikrostreifenleitungen
Mikrostreifen werden nach ihrer geometrischen Konfiguration, ihrer dielektrischen Umgebung und ihren anwendungsspezifischen Anforderungen kategorisiert:
a. Grundlegende Mikrostreifen
b. Eingebetteter Mikrostreifen
c. Differential-Mikrostreifenpaar
d. Koplanarer Mikrostreifen
e. Aufgehängter Mikrostreifen
2. Untertypen von Streifenleitungen
Streifenleitungen werden anhand ihrer Symmetrie, ihrer dielektrischen Schichten und ihrer Routing-Komplexität klassifiziert:
a. Grundlegende Streifenleitung
b. Symmetrische Streifenleitung
c. Asymmetrische Streifenleitung
d. Differential-Streifenleitungspaar
e. Koplanare Streifenleitung
f. Breitband-Streifenleitung
3. Hybride Varianten
Einige Designs kombinieren Mikrostreifen- und Streifenleitungselemente für spezifische Anforderungen:
a. Übergang von Mikrostreifen zu Streifenleitung
b. Eingebettete Streifenleitung mit Mikrostreifen-Überlagerung
4. Vergleich mit anderen Übertragungsleitungen
Der Schwerpunkt liegt zwar auf Mikrostreifen und Streifenleitungen, aber in den Dokumenten werden auch andere Typen erwähnt:
| 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 |
Wichtige Erkenntnisse
Elektrische Eigenschaften: Impedanz, Verlust und Geschwindigkeit
Charakteristische Impedanz
Mikrostreifenimpedanz:
Where:
-
-
Mikrostreifen bieten einen größeren Impedanzbereich (20–120 Ω), erfordern jedoch im Vergleich zu Streifenleitungen breitere Leiterbahnen für dieselbe Impedanz.
Streifenleitungsimpedanz:
Where:
-
-
-
-
Streifenleitungen unterstützen dank der vollständig dielektrischen Umgebung höhere Impedanzen (35–250 Ω) mit schmaleren Leiterbahnen.
Bei der Berechnung der charakteristischen Impedanz von Mikrostreifen und Streifenleitungen erhöht der Einsatz professioneller Tools die Genauigkeit des Designs. Besuchen Sie den PCB-Impedanzrechner, um Parameter wie Dielektrizitätskonstante und Leiterbahnbreite einzugeben und Echtzeit-Impedanzwerte zu erhalten (unterstützt Berechnungen für Mikrostreifen, Streifenleitungen und Differentialpaare), wodurch Fehler bei der manuellen Ableitung von Formeln vermieden werden.
Signalverlust und Geschwindigkeit
Mikrostreifen-Signalgeschwindigkeit:
Where:
-
-
-
Stripline-Signalgeschwindigkeit:
Verluste entstehen in erster Linie durch den spezifischen Widerstand des Leiters und dielektrische Dämpfung, ohne Strahlungsverluste. Die vollständig dielektrische Umgebung verlangsamt die Signalgeschwindigkeit, gewährleistet jedoch eine gleichbleibende Leistung.
Where:
-
-
-
Konstruktionsaspekte und Fertigung
Schichtstapelung und Kosten
Impedanzregelung und Übersprechen
Anwendungen und praktische Leitlinien
Wann sollte man Mikrostreifen verwenden?
Wann sollte Stripline verwendet werden?
Anwendungen und praktische Leitlinien
Fallstudie 1: Mikrostreifen in 5G-Antennenarrays
Szenario: Eine 5G-Basisstationsantennenanordnung erfordert kompakte, kostengünstige Übertragungsleitungen für Phasenverschiebungsnetzwerke.
Lösung: Mikrostreifen werden aufgrund ihrer freiliegenden Struktur, die eine Kopplung mit Luft für die Strahlung ermöglicht, für Strahlungselemente und Speiseleitungen verwendet. Beispielsweise verwendet die 5G-Massive-MIMO-Antenne von Samsung Mikrostreifen mit einem Rogers RT/duroid 5880-Substrat (εr=2,2), um einen Betrieb bei 28 GHz zu erreichen. Der Quasi-TEM-Modus ermöglicht es Ingenieuren, die Impedanz (50 Ω) über die Leiterbahnbreite (w=0,3 mm, h=0,762 mm) anzupassen und so die Strahlungseffizienz und die Kosten in Einklang zu bringen.
Vorteil: Mikrostreifen machen teure Abschirmschichten überflüssig und reduzieren das Gewicht und die Komplexität der Herstellung von Antennenarrays.
Fallstudie 2: Stripline in Hochgeschwindigkeits-Rechenzentren
Szenario: Eine 400G-Ethernet-Switch-Hauptplatine erfordert eine Signalführung mit geringer Latenz und ohne elektromagnetische Störungen für Backplane-Verbindungen.
Lösung: In die inneren Schichten der Hauptplatine sind Streifenleitungen eingebettet, um differentielle Paare (z. B. PCIe 5.0, 32 GT/s) zu führen. Der Ice Lake Server-Chipsatz von Intel verwendet beispielsweise Streifenleitungen mit einem FR4-Kern (εr=4,4) und einer differentiellen Impedanz von 100 Ω. Die doppelten Masseflächen unterdrücken das Übersprechen zwischen mehr als 100 Hochgeschwindigkeitskanälen und gewährleisten eine BER < 10^-12 bei 25 GHz.
Vorteil: Der TEM-Modus von Streifenleitungen minimiert die Dispersion, was für die Aufrechterhaltung der Signalintegrität über 30 cm Backplane-Leitungen entscheidend ist.
Fallstudie 3: Hybride Mikrostreifen-Streifenleitung in Automobilradar
Szenario: Eine 400G-Ethernet-Switch-Hauptplatine erfordert eine Signalführung mit geringer Latenz und ohne elektromagnetische Störungen für Backplane-Verbindungen.
Lösung: In die inneren Schichten der Hauptplatine sind Streifenleitungen eingebettet, um differentielle Paare (z. B. PCIe 5.0, 32 GT/s) zu führen. Der Ice Lake Server-Chipsatz von Intel verwendet beispielsweise Streifenleitungen mit einem FR4-Kern (εr=4,4) und einer differentiellen Impedanz von 100 Ω. Die doppelten Masseflächen unterdrücken das Übersprechen zwischen mehr als 100 Hochgeschwindigkeitskanälen und gewährleisten eine BER < 10^-12 bei 25 GHz.
Vorteil: Der TEM-Modus von Streifenleitungen minimiert die Dispersion, was für die Aufrechterhaltung der Signalintegrität über 30 cm Backplane-Leiterbahnen entscheidend ist.
Fallstudie 4: Stripline in medizinischen MRT-Geräten
Szenario: Die Sende-Empfangsspule eines 3T-MRT-Scanners erfordert extrem geringe Verluste und EMI-Isolation, um schwache biologische Signale zu erkennen.
Lösung: Für die HF-Spulenanschlüsse werden Streifenleitungen mit einem PTFE-Dielektrikum (εr=2,1) verwendet, die von kupferbeschichteten Schichten umgeben sind, um Störungen durch das Magnetfeld zu verhindern. Das SIGNA™ MR-System von GE Healthcare verwendet 50-Ω-Streifenleitungen mit h = 0,5 mm und w = 0,1 mm und erreicht damit Q-Faktoren > 1000 bei 128 MHz.
Vorteil: Die Abschirmung der Streifenleitungen verhindert Übersprechen zwischen 32 Empfangskanälen, was für die hochauflösende Bildgebung entscheidend ist.
Fallstudie 5: Mikrostreifen in WLAN-Routern für Verbraucher
Szenario: Ein Wi-Fi 6-Router (802.11ax, 2,4/5 GHz) erfordert eine kostengünstige Signalführung für mehrere Antennen.
Lösung: Mikrostreifen auf einer 4-lagigen FR4-Leiterplatte (εr=4,4) verbinden den SoC (z. B. Qualcomm IPQ8074) mit oberflächenmontierten Diplexern und Antennen. Die Leiterbahnen (w=1,2 mm, h=1,6 mm) erreichen eine Impedanz von 50 Ω mit einem Verlust von <0,5 dB bei 5 GHz.
Kosteneinsparungen: Mikrostreifen reduzieren die Schichtanzahl im Vergleich zu Streifenleitungen um 50 % und senken die Leiterplattenkosten bei der Massenproduktion von 25 $ auf 15 $.
Fazit
Stripline und Microstrip sind zwei Säulen des PCB-Übertragungsleitungsdesigns, die jeweils für unterschiedliche Szenarien optimiert sind. Microstrips zeichnen sich durch Einfachheit, Kosteneffizienz und moderate Leistung aus, während Striplines eine hervorragende Abschirmung, Signalintegrität und Hochfrequenzfähigkeit bieten. Durch die Bewertung von Faktoren wie Frequenz, Impedanzanforderungen und Umgebungsbeschränkungen können Ingenieure die optimale Struktur auswählen, um Leistung und Praktikabilität in der modernen Elektronik in Einklang zu bringen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der Wahl zwischen Mikrostreifen und Streifenleitung ein Gleichgewicht zwischen Impedanzanforderungen und Kostenaspekten gefunden werden muss. Wir empfehlen die Verwendung des PCB Impedance Calculator als Designhilfe – geben Sie Material- und Geometrieparameter ein, um mit einem Klick charakteristische und differentielle Impedanzwerte zu erhalten und so die Effizienz beim Design von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten zu steigern.
Abschließender Tipp: Kombinieren Sie bei Hybridkonstruktionen beide Strukturen: Verwenden Sie Mikrostreifen für oberflächenmontierte Komponenten und Streifenleitungen für die interne Hochgeschwindigkeitsverdrahtung, um ihre komplementären Stärken zu nutzen.
