No projeto de PCB de alta frequência e alta velocidade, a escolha da estrutura de linha de transmissão correta — stripline ou microstrip — é fundamental para garantir a integridade do sinal, minimizar a interferência e equilibrar a relação custo-benefício. Ambas as estruturas servem como blocos de construção fundamentais para circuitos de RF/micro-ondas e sistemas digitais de alta velocidade, mas suas geometrias e comportamentos eletromagnéticos distintos determinam sua adequação para aplicações específicas. Este artigo analisa as principais diferenças entre stripline e microstrip, explorando seus projetos, propriedades elétricas e implicações práticas para engenheiros de PCB.
O que é Stripline e Microstrip?
Stripline:
Uma stripline é uma linha de transmissão embutida com um traço condutor central situado entre dois planos paralelos de terra/alimentação, totalmente envolto por um material dielétrico uniforme. O traço é encaminhado numa camada interna da placa de circuito impresso, protegido de interferências externas.
Microfita:
Uma microfita é uma linha de transmissão montada na superfície que consiste em um único traço condutor na camada superior/inferior da placa de circuito impresso, um substrato dielétrico e um único plano de aterramento/alimentação abaixo do substrato. O traço é parcialmente exposto ao ar (ou coberto por máscara de solda), criando um ambiente dielétrico híbrido.
Fundamentos estruturais e modos de propagação
Microfita: Montagem em superfície e propagação Quasi-TEM
Uma microfita consiste em um traço condutor na camada externa da placa de circuito impresso, separado de um único plano de aterramento por um substrato dielétrico (por exemplo, FR4). Sua estrutura expõe o traço a dois ambientes dielétricos: o substrato abaixo e o ar acima. Essa assimetria dá origem a um modo eletromagnético quase transversal (quase-TEM), em que os campos elétricos ficam parcialmente confinados ao substrato e parcialmente irradiados no ar. Como resultado, a constante dielétrica efetiva (εeff) — uma média ponderada da permissividade do substrato (εr) e da permissividade do ar (εr=1) — determina a velocidade de fase e a impedância, tornando as microfitas dependentes da frequência e dispersivas.
Estrutura:
Modo de propagação:
Modo Quasi-TEM (eletromagnético quase transversal), em que os campos elétricos existem tanto no dielétrico quanto no ar, levando a uma dispersão dependente da frequência.
Stripline: Blindagem e propagação TEM
Uma linha de fita é incorporada entre dois planos de terra paralelos, totalmente envolvida por um material dielétrico. Essa estrutura simétrica suporta um modo TEM puro, com campos elétricos e magnéticos totalmente confinados dentro do dielétrico. Ao contrário das microfitas, as linhas de fita não apresentam dispersão, pois o ambiente dielétrico uniforme garante velocidade de fase e impedância independentes da frequência. A ausência de exposição ao ar também elimina perdas por radiação, tornando as striplines inerentemente blindadas e adequadas para ambientes com alta interferência.
Estrutura:
Modo de propagação:
Modo TEM puro (eletromagnético transversal), com campos totalmente confinados dentro do dielétrico, garantindo que não haja dispersão de frequência.
Tipos de Stripline e Microstrip
1. Subtipos de linha microstrip
As microfitas são categorizadas de acordo com suas configurações geométricas, ambientes dielétricos e requisitos específicos da aplicação:
a. Microfita básica
b. Microfita incorporada
c. Par diferencial de microfita
d. Microfita coplanar
e. Microfita suspensa
2. Subtipos de Stripline
As linhas de fita são classificadas com base na simetria, nas camadas dielétricas e na complexidade do roteamento:
a. Linha básica
b. Linha de fita simétrica
c. Linha de fita assimétrica
d. Par diferencial de linha de fita
e. Linha de fita coplanar
f. Linha de fita de banda larga
3. Variações híbridas
Alguns projetos combinam elementos microstrip e stripline para necessidades específicas:
a. Transição de microfita para linha de fita
b. Stripline incorporada com sobreposição de microfita
4. Contraste com outras linhas de transmissão
Embora o foco seja em microstrip e stripline, outros tipos são mencionados nos 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 |
Principais conclusões
Características elétricas: impedância, perda e velocidade
Impedância característica
Impedância da microfita:
Where:
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As microfitas oferecem uma faixa de impedância mais ampla (20–120 Ω), mas exigem traços mais largos para a mesma impedância em comparação com as linhas de fita.
Impedância da linha de fita:
Where:
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As linhas de fita suportam impedâncias mais altas (35–250 Ω) com traços mais estreitos, graças ao ambiente totalmente dielétrico.
Ao calcular a impedância característica de microfitas e linhas de fita, o uso de ferramentas profissionais aumenta a precisão do projeto. Acesse a Calculadora de Impedância de PCB para inserir parâmetros como constante dielétrica e largura do traço e obter valores de impedância em tempo real (compatível com cálculos de microfitas, linhas de fita e pares diferenciais), evitando erros decorrentes da derivação manual de fórmulas.
Perda de sinal e velocidade
Velocidade do sinal da microfita:
Where:
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Velocidade do sinal na linha de fita:
As perdas são principalmente decorrentes da resistividade do condutor e do amortecimento dielétrico, sem perda por radiação. O ambiente totalmente dielétrico diminui a velocidade do sinal, mas garante um desempenho consistente.
Where:
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Considerações sobre o design e fabricação
Empilhamento de camadas e custo
Controle de impedância e diafonia
Aplicações e orientações práticas
Quando usar microstrip
Quando usar Stripline
Aplicações e orientações práticas
Estudo de caso 1: Microfita em conjuntos de antenas 5G
Cenário: Um conjunto de antenas de estação base 5G requer linhas de transmissão compactas e de baixo custo para redes de mudança de fase.
Solução: Microstrips são usados para elementos radiantes e linhas de alimentação devido à sua estrutura exposta, que permite o acoplamento com o ar para radiação. Por exemplo, a antena 5G Massive MIMO da Samsung emprega microstrips com um substrato Rogers RT/duroid 5880 (εr=2,2) para atingir uma operação de 28 GHz. O modo quase-TEM permite que os engenheiros ajustem a impedância (50 Ω) através da largura do traço (w=0,3 mm, h=0,762 mm), equilibrando a eficiência da radiação e o custo.
Vantagem: as microfitas eliminam a necessidade de camadas blindadas caras, reduzindo o peso e a complexidade de fabricação em conjuntos de antenas.
Estudo de caso 2: Stripline em centros de dados de alta velocidade
Cenário: Uma placa-mãe de switch Ethernet 400G exige roteamento de sinal sem EMI e com baixa latência para conexões de backplane.
Solução: Striplines são incorporadas nas camadas internas da placa-mãe para rotear pares diferenciais (por exemplo, PCIe 5.0, 32 GT/s). Por exemplo, o chipset Ice Lake Server da Intel usa striplines com um núcleo FR4 (εr=4,4) e impedância diferencial de 100 Ω. Os planos de aterramento duplos suprimem a interferência entre mais de 100 canais de alta velocidade, garantindo BER < 10^-12 a 25 GHz.
Vantagem: o modo TEM das linhas de fita minimiza a dispersão, fundamental para manter a integridade do sinal em traços de backplane de mais de 30 cm.
Estudo de caso 3: Microstrip-Stripline híbrido em radar automotivo
Cenário: Uma placa-mãe de switch Ethernet 400G exige roteamento de sinal sem EMI e com baixa latência para conexões de backplane.
Solução: Striplines são incorporadas nas camadas internas da placa-mãe para rotear pares diferenciais (por exemplo, PCIe 5.0, 32 GT/s). Por exemplo, o chipset Ice Lake Server da Intel usa striplines com um núcleo FR4 (εr=4,4) e impedância diferencial de 100 Ω. Os planos de aterramento duplos suprimem a interferência entre mais de 100 canais de alta velocidade, garantindo BER < 10^-12 a 25 GHz.
Vantagem: o modo TEM das linhas de fita minimiza a dispersão, fundamental para manter a integridade do sinal em traços de backplane de mais de 30 cm.
Estudo de caso 4: Stripline em equipamentos médicos de ressonância magnética
Cenário: A bobina transceptora de um scanner de ressonância magnética 3T exige perda ultrabaixa e isolamento EMI para detectar sinais biológicos fracos.
Solução: Striplines com dielétrico PTFE (εr=2,1) são usados para conexões de bobina RF, envoltos em camadas revestidas de cobre para evitar interferência com o campo magnético. O sistema SIGNA™ MR da GE Healthcare emprega linhas de fita de 50 Ω com h=0,5 mm e w=0,1 mm, alcançando fatores Q > 1000 a 128 MHz.
Vantagem: A blindagem das linhas de fita elimina a interferência entre 32 canais receptores, essencial para imagens de alta resolução.
Estudo de caso 5: Microstrip em roteadores Wi-Fi de consumo
Cenário: Um roteador Wi-Fi 6 (802.11ax, 2,4/5 GHz) requer um roteamento de sinal econômico para várias antenas.
Solução: Microstrips em uma placa de circuito impresso FR4 de 4 camadas (εr=4,4) conectam o SoC (por exemplo, Qualcomm IPQ8074) a diplexadores e antenas montados na superfície. Os traços (w=1,2 mm, h=1,6 mm) atingem uma impedância de 50 Ω com perda <0,5 dB a 5 GHz.
Economia de custos: As microfitas reduzem a contagem de camadas em 50% em comparação com as linhas de fita, reduzindo os custos da placa de circuito impresso de US$ 25 para US$ 15 na produção em grande volume.
Conclusão
Stripline e microstrip representam dois pilares do projeto de linhas de transmissão PCB, cada um otimizado para cenários distintos. Microstrips se destacam pela simplicidade, custo-benefício e desempenho moderado, enquanto striplines oferecem blindagem superior, integridade de sinal e capacidade de alta frequência. Ao avaliar fatores como frequência, requisitos de impedância e restrições ambientais, os engenheiros podem selecionar a estrutura ideal para equilibrar desempenho e praticidade na eletrônica moderna.
Em resumo, a escolha entre microstrip e stripline requer um equilíbrio entre as necessidades de impedância e as considerações de custo. Sugerimos o uso da Calculadora de Impedância PCB para auxiliar no projeto — insira os parâmetros geométricos e do material para obter os valores de impedância característica e diferencial com um clique, aumentando a eficiência do projeto de PCB de alta velocidade.
Dica final: Para projetos híbridos, combine ambas as estruturas: use microstrips para componentes montados na superfície e striplines para roteamento interno de alta velocidade, aproveitando seus pontos fortes complementares.
