PCB中的微帶線和帶狀線是什么？有哪些區(qū)別？

PCB 通常使用兩種類型的傳輸線：微帶線和帶狀線。每條傳輸線都由信號走線和參考平面組成。根據(jù)傳輸線幾何形狀，必須將信號走線和參考平面視為一個(gè)單元。并且永遠(yuǎn)不要將它們分開，因?yàn)槲Ь€和帶狀線具有定義其特性的獨(dú)特EM 場分布。

通過將 PCB 走線阻抗與信號源匹配，可以避免PCB 傳輸線中的信號反射。但了解哪種阻抗匹配技術(shù)適用于設(shè)計(jì)也很重要。我必須告訴你，沒有一種傳輸線技術(shù)是完美的。涉及傳輸線的PCB 設(shè)計(jì)方程只是近似值，根據(jù)規(guī)格有不同程度的精確度。

微帶線和帶狀線傳輸線的電磁場分布可以通過選擇PCB 材料（介電常數(shù)和損耗角正切）和調(diào)整引導(dǎo)波長、傳播速度和特性阻抗來改變。這些參數(shù)最終會(huì)改變電磁場分布，從而改變傳輸線的特性。

PCB中的微帶線是什么？

微帶線由位于由接地平面支持的介電基板上的條狀導(dǎo)體組成。

微帶線是一種平面?zhèn)鬏斁€，主要用于射頻和微波電路。它在PCB表面布線，周圍有兩種環(huán)境：PCB材料和空氣。微帶由位于介電基板上的條狀導(dǎo)體（焊盤）組成，該基板由接地平面支持，當(dāng)接地平面和條帶之間的間距增加時(shí)，該接地平面會(huì)輻射。

微帶線中的傳播方式是什么？

在微帶中，主要的傳播模式是準(zhǔn) TEM（橫向電磁）。因此，截面中的相速度、特性阻抗和場變化變得與頻率相關(guān)。

微帶中傳播的電磁場。

微帶中的有效介電常數(shù) (εr) 是多少？

存儲在微帶排列中的電能存在于空氣和電介質(zhì)中，因此傳輸線上信號的有效介電常數(shù)將介于空氣和電介質(zhì)的介電常數(shù)之間。該有效介電常數(shù)決定了微帶傳輸線上電磁波的相速度。

微帶線是分散的。隨著頻率的增加，有效介電常數(shù)也向基板方向增加，導(dǎo)致相速度降低。有效介電常數(shù)考慮到大部分電場保留在基板內(nèi)，但總能量的某一部分存在于電路板上方的空氣中。

εr也隨自由空間波長而變化。隨著帶材寬度與基材厚度/寬度/高度的比率減小，這種分散變得更加顯著。隨著帶鋼寬度的增加，色散不那么明顯。在這種情況下，微帶線似乎是一個(gè)理想的平行板電容器。εr應(yīng)大于空氣的介電常數(shù) ( ? r = 1) 并小于基板的介電常數(shù)。閱讀PCB 基板：了解介電材料的特性。

圖片來源：Leo G. Maloratsky 回顧微帶線的基礎(chǔ)知識。

挑戰(zhàn)在于導(dǎo)體條不能浸入單個(gè)電介質(zhì)中

與微帶參數(shù)計(jì)算相關(guān)的具有挑戰(zhàn)性的問題是導(dǎo)體帶未浸入單一介電材料中。一方面，它是電介質(zhì)，另一方面，它通常是空氣。有效介電常數(shù)的概念是專門為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)而開發(fā)的。所述 εr表示板材料（相對介電常數(shù)之間的一些中間值率εr）和空氣（相當(dāng)于1）。因此，這可用于計(jì)算微帶參數(shù)。

微帶線的特性阻抗

對于給定的 PCB 層壓板和銅重量，信號走線的寬度 (W) 除外，下面給出的公式可用于設(shè)計(jì) PCB 走線以匹配電路所需的阻抗。對于寬度為 W 和厚度為 T 的信號走線，通過具有介電常數(shù)?r的 PCB 電介質(zhì)與接地（或電源）平面相距距離 H ，其特征阻抗 (Zo) 為：

微帶線的特性阻抗隨著頻率的增加而變化。這里值得注意的一點(diǎn)是，IPC 微帶線方程在 50 到 100Ω 之間最準(zhǔn)確，但對于較低/較高阻抗則不太準(zhǔn)確。

注意：所有尺寸均以密耳為單位。

微帶線的特征電容

其中 T 是電路板厚度，H 是走線之間的間距。

微帶線延遲常數(shù)

對于給定的傳輸線幾何形狀，延遲常數(shù)僅是介電常數(shù)的函數(shù)，而不是跡線尺寸的函數(shù)。對于給定的 PCB 層壓板和介電常數(shù)，各種阻抗線的傳播延遲常數(shù)是固定的。

微帶結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

微帶線是一種“開放”的線結(jié)構(gòu)；它使連接組件變得非常容易。
它可以以最小串?dāng)_的高密度（多通道）封裝在一起，使其適用于射頻和微波 IC 設(shè)計(jì)。
其平面拓?fù)涫躊CB 制造工藝公差的影響最小。
它具有更快的傳播時(shí)間。
這種技術(shù)同時(shí)提供了良好的散熱和機(jī)械支持。閱讀12 種減少 PCB 發(fā)熱的 PCB 熱管理技術(shù)。

微帶線損耗

線路導(dǎo)體的有限電導(dǎo)率
輻射效應(yīng)（取決于介電常數(shù)、基板厚度、電路幾何形狀和頻率）
與磁性基板相關(guān)的磁損耗，如鐵氧體
襯底的有限電阻率和傾倒現(xiàn)象

注意：盡管微帶線具有低成本和緊湊尺寸的優(yōu)勢，但它比同軸線、波導(dǎo)、CPW 和帶狀線的損耗更大。

如何減少微帶線的損耗？

將基板懸浮在空氣上以減少微帶線的損耗。

這可以通過將基材懸浮在空氣中來完成。微帶的懸掛意味著信號和接地路徑之間的間隔增加，這也增強(qiáng)了微帶輻射的趨勢，特別是在不連續(xù)處。

懸浮如何幫助減少微帶線的損耗？

基板底部和地平面之間的空氣包含電磁場。微帶線的插入損耗降低，因?yàn)榕c標(biāo)準(zhǔn)電路板基板相比，空氣基本上沒有介電損耗。此外，由于較低的有效介電常數(shù)，微帶線的寬度增加。較寬的線路具有較低的電流密度，因此具有較低的歐姆損耗。微帶懸掛技術(shù)僅用于幾GHz。

注意：較小的寬度總是會(huì)導(dǎo)致更多的損失。

多層微帶線

微帶幾何用于在低頻下傳導(dǎo) EM 波，但在 60GHz 以上，由于損耗，其應(yīng)用受到限制。這就是它們不能在太赫茲頻率下使用的原因。

在多層微帶中使用不同的襯底層。

多層微帶線可以設(shè)計(jì)在不同配置的襯底層上。它可以是單層、雙層或多層材料。隨著對SoC要求的需要，在高頻下多層基板的使用有所增加。

多層基板材料在微帶建設(shè)中的優(yōu)勢

減少損失和控制膨脹系數(shù)
適用于天線設(shè)計(jì)，提供良好的表面波抗擾增益和帶寬增強(qiáng)以及良好的機(jī)械集成

PCB中的帶狀線是什么？

帶狀線布線在 PCB 的內(nèi)層，這就是為什么它只被一種環(huán)境包圍，即 PCB 材料。這種技術(shù)最好用于多層 PCB 設(shè)計(jì)，信號走線由上下的接地層支撐。

在帶狀線中，高頻信號走線的電流返回路徑位于接地（電源）平面上的信號走線上方和下方。由于這種布置，高頻信號保留在 PCB 內(nèi)部，從而減少了輻射，并提供了對傳入雜散信號的屏蔽。

帶狀線的特性阻抗

帶狀線的特性阻抗取決于介電常數(shù)以及帶狀中心導(dǎo)體和接地平面的橫截面幾何形狀。帶狀線的特征阻抗隨著帶寬度W e 的增加而減小。

注： b 為兩平面間距，W e為有效帶鋼寬度。

帶狀線的特征電容

帶狀線延遲常數(shù)

帶狀線中給定長度的傳播延遲 (tpd) 只是電介質(zhì) εr 的函數(shù)。

帶狀線設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

帶狀線中的電磁場分布。

帶狀線傳輸線由三層導(dǎo)體組成，其中內(nèi)部導(dǎo)體稱為“夾層導(dǎo)體”，而連接在信號地的另外兩個(gè)導(dǎo)體稱為接地導(dǎo)體。夾層導(dǎo)體嵌入均勻且各向同性的電介質(zhì)中，具有介電常數(shù) (Er)。

帶狀線中基本 TEM 模式的電“E”和磁“H”場線在上面以定義的橫截面和定義的時(shí)間表示。

帶狀線外導(dǎo)體之間的區(qū)域僅包含單一介質(zhì)。這就是基模 (TEM) 的相速度和特征阻抗不隨頻率變化的原因。
在 TEM 模式下，內(nèi)導(dǎo)體處于等電位（每個(gè)點(diǎn)都處于相同的電位）。

帶狀線布置的優(yōu)點(diǎn)

它為信號走線提供屏蔽和保護(hù)。
低阻抗，因此更少的輻射和串?dāng)_
50MHz以上可見改善
帶狀線排列具有更好的 EMI 特性。

帶狀線排列的局限性

由于帶狀線包含嵌入式信號走線，因此很難調(diào)試此類走線。換句話說，PCB 原型設(shè)計(jì)和故障排除會(huì)很困難。
解耦難
低阻抗以實(shí)現(xiàn)正確匹配

帶狀線的損耗是多少？

其導(dǎo)體的有限電導(dǎo)率
磁共振
電介質(zhì)的有限電阻率和傾倒現(xiàn)象

設(shè)計(jì)具有帶狀線幾何形狀的多層板

多層電路板通常需要帶狀線，因?yàn)樗梢栽趯又g布線，但帶狀線的接地需要適當(dāng)注意。如果頂部和底部接地層的電位不同，則平行板模式可以在它們之間傳播。如果激發(fā)，這種模式將不會(huì)局限于帶附近的區(qū)域，而是能夠傳播到存在兩個(gè)接地平面的任何地方。

帶狀線比微帶線對金屬外殼的橫向接地平面更不敏感，因?yàn)殡姶艌鲈谥行膶?dǎo)體和上下接地平面附近被強(qiáng)烈包含。

如果頂部和底部地平面的電位不同，會(huì)發(fā)生什么？

帶狀線中的頂部和底部地平面。

平行板模式將開始在頂面和地平面之間傳播。并且它不會(huì)局限于條帶周圍的區(qū)域，而是會(huì)在存在兩個(gè)接地平面的任何地方傳播。平行板模式可以通過以下方式抑制：

使用金屬化通孔連接頂部和底部地平面
緊密放置過孔（過孔之間的間距應(yīng)為電介質(zhì)中波長的 1/8，以防止接地層之間的電位差。）

如果過孔放置得太靠近帶狀線邊緣，它們可能會(huì)干擾特性阻抗。因此，過孔間距應(yīng)至少為 3 條帶寬度。

那么，是否有可能在不使用帶狀線排列的情況下設(shè)計(jì)多層 PCB？

嵌入式走線可以用雙層兩層PCB設(shè)計(jì)代替，即總共四層銅層。

可以使用嵌入式走線設(shè)計(jì)多層 PCB。

在 PCB 頂部表面布線的走線與電源層形成微帶線，而底部走線與接地層形成微帶線。

在這里，可以輕松訪問兩個(gè)外層的信號軌跡，以進(jìn)行測量和故障排除。但是這種布置沒有利用平面的屏蔽特性，從而導(dǎo)致對外部信號的更大輻射和敏感性。

上圖右側(cè)給出的排列使用嵌入的跡線并充分利用了平面?？梢愿鶕?jù)對您而言重要的內(nèi)容有選擇地在 PCB 設(shè)計(jì)的嵌入式和非嵌入式布置之間進(jìn)行選擇。易于測試或降低EMI 和 EMC。

使用微帶線和帶狀線的布線技術(shù)

除了制造和電介質(zhì)差異之外，PCB 微帶線和帶狀線設(shè)計(jì)也存在布線差異。

微帶布線：在外層布線的傳輸線被認(rèn)為是微帶。它們的建模取決于走線厚度和寬度，以及基板高度和電介質(zhì)類型。

微帶差分對布線：該技術(shù)用于差分對布線，與常規(guī)微帶布線具有相同的排列方式，但由于差分對的額外走線間距，其模型更加復(fù)雜。

嵌入式微帶布線：這種結(jié)構(gòu)類似于普通微帶，不同之處在于傳輸線上方還有一個(gè)介電層。

共面微帶布線：在共面微帶布線中，信號走線與兩個(gè)接地平面平行布線。這些接地層為信號提供自然屏蔽，防止來自板上其他走線的干擾。

帶狀線布線：在這種技術(shù)中，走線在內(nèi)部層上布線。與微帶線一樣，其建?；谧呔€厚度和寬度、基板高度、電介質(zhì)類型以及嵌入兩個(gè)平面之間的走線計(jì)算。

共面帶狀線布線：在共面帶狀線布線中，信號走線在內(nèi)部與兩個(gè)接地層平行布線。

寬邊耦合帶狀線布線：該技術(shù)也用于布線內(nèi)部層差分對。

表面光潔度和銅粗糙度對導(dǎo)體損耗的影響

由于導(dǎo)體邊緣的高電流密度，表面光潔度會(huì)影響導(dǎo)體損耗。
PCB 行業(yè)中使用的大多數(shù)金屬飾面的導(dǎo)電性都低于銅（金、鎳、鋁、黃銅、焊料、錫）。較低的電導(dǎo)率會(huì)導(dǎo)致較高的導(dǎo)體損耗，從而增加插入損耗。銀是個(gè)例外，不會(huì)增加銅導(dǎo)體損耗。
金飾面非常薄（約 0.05um），但在頻率約為 1THz 之前，趨膚深度不會(huì)接近此厚度。
化學(xué)鍍鎳浸金 (ENIG) 表面處理被廣泛使用，因?yàn)樗梢员Ｗo(hù)鎳不被氧化。
當(dāng)趨膚深度接近或小于銅表面粗糙度的尺寸時(shí)，表面粗糙度會(huì)顯著增加導(dǎo)體損耗，最終減慢波的傳播。
一定程度的銅粗糙度總是用于促進(jìn)與介電材料的粘合并提高層壓板的剝離強(qiáng)度。
導(dǎo)體粗糙度的電氣影響隨著頻率的增加而增加，增加了電容，增加了群延遲，在很寬的帶寬上降低了特性阻抗，并且明顯增加了 Dk 以匹配群延遲與頻率特性。
微帶線中的歐姆和介電損耗限制了其功率處理能力。
由于導(dǎo)體和介電損耗導(dǎo)致的溫度升高限制了微帶線的平均功率，而帶狀導(dǎo)體和地平面之間的擊穿限制了峰值功率。