En el diseño de PCB de alta frecuencia y alta velocidad, elegir la estructura de línea de transmisión correcta —línea de transmisión o microcinta— es fundamental para garantizar la integridad de la señal, minimizar las interferencias y equilibrar la rentabilidad. Ambas estructuras sirven como bloques de construcción fundamentales para circuitos de RF/microondas y sistemas digitales de alta velocidad, pero sus distintas geometrías y comportamientos electromagnéticos dictan su idoneidad para aplicaciones específicas. Este artículo desglosa las diferencias clave entre línea de transmisión y microcinta, explorando sus diseños, propiedades eléctricas e implicaciones prácticas para los ingenieros de PCB.
¿Qué son Stripline y Microstrip?
Stripline:
Una stripline es una línea de transmisión embebida con una traza conductora central intercalada entre dos planos de tierra/alimentación paralelos, completamente encerrada por un material dieléctrico uniforme. La traza se enruta en una capa interna de la PCB, protegida de interferencias externas.
Microstrip:
Un microstrip es una línea de transmisión montada en superficie que consiste en una sola traza conductora en la capa superior/inferior de la PCB, un sustrato dieléctrico y un solo plano de tierra/alimentación debajo del sustrato. La traza está parcialmente expuesta al aire (o cubierta por la máscara de soldadura), creando un entorno dieléctrico híbrido.
Fundamentos Estructurales y Modos de Propagación
Microstrip: Montado en Superficie y Propagación Cuasi-TEM
Un microstrip consiste en una traza conductora en la capa exterior de la PCB, separada de un solo plano de tierra por un sustrato dieléctrico (por ejemplo, FR4). Su estructura expone la traza a dos entornos dieléctricos: el sustrato debajo y el aire arriba. Esta asimetría da lugar a un modo cuasi-transversal electromagnético (cuasi-TEM), donde los campos eléctricos están parcialmente confinados al sustrato y parcialmente irradiados al aire. Como resultado, la constante dieléctrica efectiva (εeff) —un promedio ponderado de la permitividad del sustrato (εr) y la permitividad del aire (εr=1)— dicta la velocidad de fase y la impedancia, haciendo que los microstrips sean dependientes de la frecuencia y dispersivos.
Estructura:
Modo de Propagación:
Modo Quasi-TEM (quasi-transversal electromagnético), donde los campos eléctricos existen tanto en el dieléctrico como en el aire, lo que lleva a una dispersión dependiente de la frecuencia.
Stripline: Blindado y Propagación TEM
Un stripline está incrustado entre dos planos de tierra paralelos, completamente encerrado por un material dieléctrico. Esta estructura simétrica soporta un modo TEM puro, con campos eléctricos y magnéticos completamente confinados dentro del dieléctrico. A diferencia de las microcintas, los striplines exhiben sin dispersión porque el entorno dieléctrico uniforme asegura una velocidad de fase e impedancia independientes de la frecuencia. La ausencia de exposición al aire también elimina las pérdidas por radiación, lo que hace que los striplines sean inherentemente blindados y adecuados para entornos de alta interferencia.
Estructura:
Modo de Propagación:
Modo TEM puro (transversal electromagnético), con campos completamente confinados dentro del dieléctrico, asegurando sin dispersión de frecuencia.
Tipos de Stripline y Microstrip
1. Subtipos de Línea Microstrip
Las microcintas se categorizan por sus configuraciones geométricas, entornos dieléctricos y requisitos específicos de la aplicación:
a. Microcinta Básica
b. Microcinta Empotrada
c. Par de Microcintas Diferencial
d. Microcinta Coplanar
e. Microcinta Suspendida
2. Subtipos de Stripline
Las striplines se clasifican según la simetría, las capas dieléctricas y la complejidad del enrutamiento:
a. Stripline Básica
b. Stripline Simétrica
c. Stripline Asimétrica
d. Par diferencial de línea de transmisión
e. Línea de transmisión coplanar
f. Línea de transmisión de banda ancha
3. Variaciones Híbridas
Algunos diseños combinan elementos de microcinta y línea de transmisión para necesidades específicas:
a. Transición de microcinta a línea de transmisión
b. Línea Stripline Incrustada con Superposición de Microstrip
4. Contraste con Otras Líneas de Transmisión
Si bien el enfoque está en microstrip y stripline, otros tipos se mencionan en los documentos:
| 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 |
Puntos Clave
Características Eléctricas: Impedancia, Pérdida y Velocidad
Impedancia Característica
Impedancia de Microstrip:
Where:
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Los microstrips ofrecen un rango de impedancia más amplio (20–120 Ω) pero requieren pistas más anchas para la misma impedancia en comparación con las striplines.
Impedancia de Stripline:
Where:
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Las striplines admiten impedancias más altas (35–250 Ω) con pistas más estrechas, gracias al entorno dieléctrico completo.
Al calcular la impedancia característica de microcinta y líneas de transmisión, el uso de herramientas profesionales mejora la precisión del diseño. Visite Calculadora de Impedancia de PCB para ingresar parámetros como la constante dieléctrica y el ancho de la traza, y obtener valores de impedancia en tiempo real (admite cálculos de microcinta, líneas de transmisión y pares diferenciales), evitando errores derivados de la derivación manual de fórmulas.
Pérdida de Señal y Velocidad
Velocidad de la Señal en Microcinta:
Where:
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Velocidad de la Señal en Líneas de Transmisión:
Las pérdidas se deben principalmente a la resistividad del conductor y la amortiguación dieléctrica, sin pérdida por radiación. El entorno totalmente dieléctrico reduce la velocidad de la señal, pero garantiza un rendimiento constante.
Where:
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Consideraciones de Diseño y Fabricación
Estructura de Capas y Costo
Control de Impedancia y Diafonía
Aplicaciones y Guías Prácticas
¿Cuándo Usar Microcinta?
¿Cuándo Usar Línea de Banda?
Aplicaciones y Guías Prácticas
Estudio de caso 1: Microbanda en matrices de antenas 5G
Escenario: Una matriz de antenas de estación base 5G requiere líneas de transmisión compactas y de bajo costo para redes de cambio de fase.
Solución: Se utilizan microcintas para elementos radiantes y líneas de alimentación debido a su estructura expuesta, que permite el acoplamiento con el aire para la radiación. Por ejemplo, la antena Massive MIMO 5G de Samsung emplea microcintas con un sustrato Rogers RT/duroid 5880 (εr=2.2) para lograr una operación de 28 GHz. El modo cuasi-TEM permite a los ingenieros ajustar la impedancia (50 Ω) a través del ancho de la traza (w=0.3 mm, h=0.762 mm), equilibrando la eficiencia de la radiación y el costo.
Ventaja: Las microcintas eliminan la necesidad de capas blindadas costosas, reduciendo el peso y la complejidad de la fabricación en matrices de antenas.
Estudio de caso 2: Línea de transmisión en centros de datos de alta velocidad
Escenario: Una placa base de conmutador Ethernet de 400G requiere enrutamiento de señales de baja latencia y sin EMI para las conexiones del plano trasero.
Solución: Las líneas de transmisión están integradas en las capas internas de la placa base para enrutar pares diferenciales (por ejemplo, PCIe 5.0, 32 GT/s). Por ejemplo, el chipset de servidor Intel Ice Lake utiliza líneas de transmisión con un núcleo FR4 (εr=4.4) y una impedancia diferencial de 100 Ω. Los planos de tierra duales suprimen la diafonía entre más de 100 canales de alta velocidad, asegurando una BER < 10^-12 a 25 GHz.
Ventaja: El modo TEM de las líneas de transmisión minimiza la dispersión, lo cual es fundamental para mantener la integridad de la señal en trazas de plano trasero de 30 cm.
Estudio de caso 3: Microtira híbrida-línea en radar automotriz
Escenario: Una placa base de conmutador Ethernet de 400G requiere enrutamiento de señales de baja latencia y sin EMI para las conexiones del plano trasero.
Solución: Las líneas de transmisión están integradas en las capas internas de la placa base para enrutar pares diferenciales (por ejemplo, PCIe 5.0, 32 GT/s). Por ejemplo, el chipset de servidor Intel Ice Lake utiliza líneas de transmisión con un núcleo FR4 (εr=4.4) y una impedancia diferencial de 100 Ω. Los planos de tierra duales suprimen la diafonía entre más de 100 canales de alta velocidad, asegurando una BER < 10^-12 a 25 GHz.
Ventaja: El modo TEM de las líneas de transmisión minimiza la dispersión, lo cual es fundamental para mantener la integridad de la señal en trazas de plano trasero de 30 cm.
Estudio de caso 4: Línea de transmisión en equipos de resonancia magnética médica
Escenario: La bobina transceptor de un escáner de resonancia magnética de 3T exige una pérdida ultrabaja y un aislamiento EMI para detectar señales biológicas débiles.
Solución: Se utilizan líneas de transmisión con un dieléctrico de PTFE (εr=2.1) para las conexiones de la bobina de RF, encerradas en capas revestidas de cobre para evitar interferencias con el campo magnético. El sistema SIGNA™ de resonancia magnética de GE Healthcare emplea 50 líneas de transmisión de 50 Ω con h=0.5 mm y w=0.1 mm, logrando factores Q > 1000 a 128 MHz.
Ventaja: El blindaje de las líneas de transmisión elimina la diafonía entre 32 canales de recepción, lo cual es fundamental para la obtención de imágenes de alta resolución.
Estudio de caso 5: Microbanda en routers Wi-Fi de consumo
Escenario: Un router Wi-Fi 6 (802.11ax, 2.4/5 GHz) requiere un enrutamiento de señal rentable para múltiples antenas.
Solución: Microcintas en una PCB FR4 de 4 capas (εr=4.4) conectan el SoC (por ejemplo, Qualcomm IPQ8074) a diplexores y antenas montados en superficie. Las trazas (w=1.2 mm, h=1.6 mm) logran una impedancia de 50 Ω con <0.5 dB de pérdida a 5 GHz.
Ahorro de costos: Las microcintas reducen el número de capas en un 50% en comparación con las líneas de transmisión, reduciendo los costos de la PCB de $25 a $15 en la producción en masa.
Conclusión
La línea de transmisión stripline y microstrip representan dos pilares del diseño de líneas de transmisión de PCB, cada una optimizada para escenarios distintos. Las microcintas sobresalen en simplicidad, rentabilidad y rendimiento moderado, mientras que las striplines ofrecen un blindaje superior, integridad de la señal y capacidad de alta frecuencia. Al evaluar factores como la frecuencia, los requisitos de impedancia y las limitaciones ambientales, los ingenieros pueden seleccionar la estructura óptima para equilibrar el rendimiento y la practicidad en la electrónica moderna.
En resumen, elegir entre microstrip y stripline requiere equilibrar las necesidades de impedancia con las consideraciones de costo. Sugerimos utilizar Calculadora de impedancia de PCB para obtener asistencia en el diseño: introduzca los parámetros de material y geométricos para obtener valores de impedancia característica y diferencial con un solo clic, lo que aumenta la eficiencia del diseño de PCB de alta velocidad.
Consejo final: Para diseños híbridos, combine ambas estructuras: use microcintas para componentes montados en superficie y striplines para el enrutamiento interno de alta velocidad, aprovechando sus fortalezas complementarias.
