При проектировании высокочастотных и высокоскоростных печатных плат выбор правильной структуры линии передачи — полосковой или микрополосковой — имеет решающее значение для обеспечения целостности сигнала, минимизации помех и баланса между стоимостью и эффективностью. Обе структуры служат в качестве фундаментальных строительных блоков для радиочастотных/микроволновых схем и высокоскоростных цифровых систем, но их различные геометрические характеристики и электромагнитные свойства определяют их пригодность для конкретных применений. В этой статье анализируются основные различия между полосковой и микрополосковой линиями, исследуются их конструкции, электрические свойства и практические последствия для инженеров-разработчиков печатных плат.
Что такое Stripline и Microstrip?
Стриплайн:
Стриплайн — это встроенная линия передачи с центральной проводящей дорожкой, расположенной между двумя параллельными плоскостями заземления/питания и полностью закрытой однородным диэлектрическим материалом. Дорожка проходит по внутреннему слою печатной платы, защищенному от внешних помех.
Микрополоска:
Микрополоска — это поверхностная линия передачи, состоящая из одной проводящей дорожки на верхнем/нижнем слое печатной платы, диэлектрической подложки и одной плоскости заземления/питания под подложкой. Дорожка частично открыта для воздействия воздуха (или покрыта паяльной маской), создавая гибридную диэлектрическую среду.
Структурные основы и режимы распространения
Микрополоска: поверхностный монтаж и распространение квази-TEM
Микрополоска состоит из проводящей дорожки на внешнем слое печатной платы, отделенной от единой заземляющей плоскости диэлектрической подложкой (например, FR4). Ее структура подвергает дорожку воздействию двух диэлектрических сред: подложки внизу и воздуха вверху. Эта асимметрия приводит к возникновению квазипоперечного электромагнитного (квази-TEM) режима, при котором электрические поля частично ограничены подложкой, а частично излучаются в воздух. В результате эффективная диэлектрическая проницаемость (εeff) — средневзвешенное значение диэлектрической проницаемости подложки (εr) и диэлектрической проницаемости воздуха (εr=1) — определяет фазовую скорость и импеданс, делая микрополоски частотно-зависимыми и дисперсионными.
Структура:
Режим распространения:
Режим квази-TEM (квази-поперечный электромагнитный), при котором электрические поля существуют как в диэлектрике, так и в воздухе, что приводит к дисперсии, зависящей от частоты.
Стрип-линия: экранированная и TEM-пропагация
Полосковая линия встроена между двумя параллельными заземляющими плоскостями, полностью закрытыми диэлектрическим материалом. Эта симметричная структура поддерживает чистый режим TEM, при котором электрические и магнитные поля полностью ограничены диэлектриком. В отличие от микрополосковых линий, полосковые линии не демонстрируют дисперсии, поскольку однородная диэлектрическая среда обеспечивает независимую от частоты фазовую скорость и импеданс. Отсутствие контакта с воздухом также исключает потери на излучение, что делает полосковые линии по своей сути экранированными и пригодными для использования в условиях высоких помех.
Структура:
Режим распространения:
Чистый режим TEM (поперечная электромагнитная волна), при котором поля полностью ограничены диэлектриком, что обеспечивает отсутствие частотной дисперсии.
Типы полосковых и микрополосковых линий
1. Подтипы микрополосковых линий
Микрополоски классифицируются по их геометрическим конфигурациям, диэлектрическим средам и требованиям конкретных применений:
а. Базовая микрополоска
b. Встроенная микрополосковая антенна
c. Дифференциальная микрополосковая пара
d. Копланарная микрополосковая линия
e. Подвешенная микрополосковая линия
2. Подтипы полосовых линий
Стрип-линии классифицируются по симметричности, диэлектрическим слоям и сложности трассировки:
а. Базовая полосковая линия
b. Симметричная полосковая линия
c. Асимметричная полосковая линия
d. Дифференциальная пара полосковых линий
e. Копланарная полосковая линия
f. Широкополосная полосковая линия
3. Гибридные вариации
Некоторые конструкции сочетают в себе микрополосковые и полосковые элементы для удовлетворения конкретных потребностей:
а. Переход от микрополосковой линии к полосковой линии
b. Встроенная полосковая линия с микрополосковым наложением
4. Контраст с другими линиями электропередачи
Хотя основное внимание уделяется микрополосковым и полосковым линиям, в документах упоминаются и другие типы:
| 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 |
Ключевые выводы
Электрические характеристики: импеданс, потери и скорость
Характеристическое сопротивление
Импеданс микрополосковой линии:
Where:
-
-
Микрополоски обеспечивают более широкий диапазон импеданса (20–120 Ом), но для достижения того же импеданса требуют более широких дорожек по сравнению с полосковыми линиями.
Импеданс полосовой линии:
Where:
-
-
-
-
Стрип-линии поддерживают более высокие импедансы (35–250 Ом) с более узкими дорожками благодаря полностью диэлектрической среде.
При расчете характеристического импеданса микрополосковой и полосковой линий использования профессиональных инструментов повышает точность проектирования. Посетите сайт PCB Impedance Calculator, чтобы ввести такие параметры, как диэлектрическая проницаемость и ширина дорожки, и получить значения импеданса в режиме реального времени (поддерживаются расчеты для микрополосковых, полосковых и дифференциальных пар), избегая ошибок при ручном выведении формул.
Потеря сигнала и скорость
Скорость распространения сигнала в микрополосковой линии:
Where:
-
-
-
Скорость сигнала в полосковой линии:
Потери в основном связаны с удельным сопротивлением проводника и диэлектрическим затуханием, без потерь на излучение. Полностью диэлектрическая среда замедляет скорость сигнала, но обеспечивает стабильную работу.
Where:
-
-
-
Конструктивные особенности и производство
Слои и стоимость
Управление импедансом и перекрестные помехи
Приложения и практические рекомендации
Когда использовать микрополосковую линию
Когда использовать Stripline
Приложения и практические рекомендации
Пример из практики 1: Микрополосковые антенны в антенных решетках 5G
Сценарий: Антенная решетка базовой станции 5G требует компактных и недорогих линий передачи для сетей с фазовым сдвигом.
Решение: Микрополоски используются в качестве излучающих элементов и питающих линий благодаря их открытой структуре, которая обеспечивает соединение с воздухом для излучения. Например, в антенне 5G Massive MIMO от Samsung используются микрополоски с подложкой Rogers RT/duroid 5880 (εr=2,2) для работы на частоте 28 ГГц. Режим квази-TEM позволяет инженерам регулировать импеданс (50 Ом) с помощью ширины дорожки (w=0,3 мм, h=0,762 мм), обеспечивая баланс между эффективностью излучения и стоимостью.
Преимущество: микрополоски устраняют необходимость в дорогостоящих экранирующих слоях, снижая вес и сложность изготовления антенных решеток.
Пример из практики 2: Стриплайн в высокоскоростных центрах обработки данных
Сценарий: Материнская плата коммутатора Ethernet 400G требует низкой задержки и отсутствия электромагнитных помех при маршрутизации сигналов для соединений задней панели.
Решение: Внутренние слои материнской платы оснащены полосковыми линиями для маршрутизации дифференциальных пар (например, PCIe 5.0, 32 GT/s). Например, в чипсете Intel Ice Lake Server используются полосковые линии с сердечником FR4 (εr=4,4) и дифференциальным импедансом 100 Ом. Двойные заземляющие плоскости подавляют перекрестные помехи между более чем 100 высокоскоростными каналами, обеспечивая BER < 10^-12 при 25 ГГц.
Преимущество: режим TEM полосковых линий минимизирует дисперсию, что критически важно для поддержания целостности сигнала на трассах задней панели длиной более 30 см.
Пример из практики 3: Гибридная микрополосковая линия в автомобильном радаре
Сценарий: Материнская плата коммутатора Ethernet 400G требует низкой задержки и отсутствия электромагнитных помех при маршрутизации сигналов для соединений задней панели.
Решение: Внутренние слои материнской платы оснащены полосковыми линиями для маршрутизации дифференциальных пар (например, PCIe 5.0, 32 GT/s). Например, в чипсете Intel Ice Lake Server используются полосковые линии с сердечником FR4 (εr=4,4) и дифференциальным импедансом 100 Ом. Двойные заземляющие плоскости подавляют перекрестные помехи между более чем 100 высокоскоростными каналами, обеспечивая BER < 10^-12 при 25 ГГц.
Преимущество: режим TEM полосковых линий минимизирует дисперсию, что критически важно для поддержания целостности сигнала на трассах задней панели длиной более 30 см.
Пример из практики 4: Стриплайн в медицинском оборудовании для МРТ
Сценарий: Трансиверная катушка МРТ-сканера 3T требует сверхнизких потерь и изоляции от электромагнитных помех для обнаружения слабых биологических сигналов.
Решение: Для соединений радиочастотных катушек используются полосковые линии с диэлектриком из ПТФЭ (εr=2,1), заключенные в медные оболочки для предотвращения помех магнитному полю. В системе SIGNA™ MR от GE Healthcare используются полосковые линии 50 Ом с h=0,5 мм и w=0,1 мм, обеспечивающие коэффициент качества > 1000 при 128 МГц.
Преимущество: экранирование полосковых линий устраняет перекрестные помехи между 32 каналами приемника, что имеет решающее значение для получения изображений высокого разрешения.
Пример из практики 5: Микрополосковые антенны в потребительских Wi-Fi-роутерах
Сценарий: Маршрутизатор Wi-Fi 6 (802.11ax, 2,4/5 ГГц) требует экономичной маршрутизации сигнала для нескольких антенн.
Решение: Микрополоски на 4-слойной печатной плате FR4 (εr=4,4) соединяют SoC (например, Qualcomm IPQ8074) с диплексорами и антеннами, установленными на поверхности. Дорожки (w=1,2 мм, h=1,6 мм) достигают импеданса 50 Ом с потерями <0,5 дБ при 5 ГГц.
Экономия средств: микрополоски сокращают количество слоев на 50 % по сравнению со стриплайнами, снижая стоимость печатной платы с 25 до 15 долларов при массовом производстве.
Заключение
Стриплайн и микрополоска представляют собой два основных элемента конструкции линий передачи сигнала на печатных платах, каждый из которых оптимизирован для определенных сценариев. Микрополоски отличаются простотой, экономичностью и умеренной производительностью, в то время как стриплайны обеспечивают превосходную экранировку, целостность сигнала и высокочастотные характеристики. Оценивая такие факторы, как частота, требования к импедансу и ограничения окружающей среды, инженеры могут выбрать оптимальную структуру, обеспечивающую баланс между производительностью и практичностью в современной электронике.
Таким образом, при выборе между микрополосковой и полосковой линией необходимо найти баланс между требованиями к импедансу и соображениями стоимости. Мы рекомендуем использовать калькулятор импеданса печатных плат для помощи в проектировании — введите материалы и геометрические параметры, чтобы одним щелчком мыши получить значения характеристического и дифференциального импеданса, что повысит эффективность проектирования высокоскоростных печатных плат.
Заключительный совет: для гибридных конструкций объедините обе структуры: используйте микрополоски для поверхностно-монтируемых компонентов и полосковые линии для внутренней высокоскоростной трассировки, используя их взаимодополняющие преимущества.
