微帶線離地間隙：多近才算太近？

2021-06-08

微帶線離地間隙：多近才算太近？

如果您查看有關控制阻抗走線的尺寸和計算寬度的任何指南，您將清楚地看到走線寬度是在走線附近沒有任何接地灌注的情況下計算的。但是，大多數設計人員（以及基本的 PCB 布局指南）會指出，每個 PCB 層上未使用的區域應填充接地覆銅。

這里有一個明顯的矛盾，在 PCB 設計社區中沒有得到很好的討論。如果你在微帶附近引入一些接地點，你現在已經形成了一個共面的波導排列，現在互連的阻抗將取決于走線邊緣和銅點之間的間距。所以現在問題變成了，您需要多少微帶離地間隙才能確保達到阻抗目標？

在這篇文章中，我想更仔細地研究這個問題。先前的解釋集中在一系列可能的阻抗上，而忽略了現代組件中的實際設計要求。如果您想知道確保受控阻抗所需的最小微帶線離地間隙，請繼續閱讀，您會找到適用于一系列可能走線寬度的好答案。我將展示的設計探索結果表明，同樣的解釋也適用于內層的帶狀線。

可控阻抗設計過程

在需要受控阻抗布線的電路板中，您通常會在開始設計時看到特定網絡/網絡組的特定設計過程：

確定所考慮的特定網絡的阻抗目標

確定您將使用的堆疊以及您將路由的位置

選擇布線方式（微帶線、帶狀線、共面波導、單端與差分）

計算提供所需阻抗所需的走線寬度

全部布線完成后，現在的問題是是否適合用接地覆銅填充表層和內層的未使用區域。然而，這現在是地面傾瀉是否離跡線太近的問題。下圖顯示了在高頻 (5.8 GHz) 下運行的 RF 跡線示例，該示例隨后將用作天線的饋線。

表層覆銅之間的射頻微帶布線和間距示例。

上面的例子非常重要，因為許多帶有 RF 輸出的組件的應用筆記將推薦這種類型的布線，可能沿著走線使用過孔柵欄。此處的目的是將 RF 走線與可能來自布局其他部分或某些外部源的 EMI 隔離。然而，這些相同的應用筆記通常會對 RF 走線和附近 GND 覆銅之間的間距給出過于保守的指導。那么，您可以將接地點與受控阻抗走線放置多近呢？

它是微帶傳輸線還是共面波導？

目前，我想專注于單端微帶線，因為它們在概念上很簡單，但我將要寫的所有內容都同樣適用于帶狀線。同樣的想法也適用于差分對路由。

如果上圖中的表層接地與走線太近，那么我們得到的是共面波導，而不是微帶線。理論上，當表層地面傾瀉距離跡線無限遠時，我們又回到了微帶線。如果接地層離走線太近，由于走線邊緣和地漏之間的寄生電容，您將改變微帶線的阻抗。這就是為什么單端微帶傳輸線和單端共面波導并不總是具有相同的走線寬度；共面波導通常需要較小的寬度才能與同一疊層上的微帶線具有相同的阻抗。

微帶線和附近 GND 之間的寄生電容增加了該傳輸線的總電容。

從上面，我們可以看到為什么共面波導跡線可能需要小于同一層和疊層上的微帶線。寄生電容會增加走線每單位長度的總電容，因此需要增加 L 進行補償，從而使阻抗恢復到 50 歐姆。在下一節中，我將使用這個想法通過查看作為離地間隙函數的 50 歐姆目標的阻抗偏差來測試接地澆注何時太靠近跡線。

測試“3W”規則

這里實際上有一個經驗法則。這是“3W”規則，它規定走線和附近接地點之間的間距應至少為走線寬度的 3 倍。我們馬上就會看到，這個指南過于保守，并沒有考慮到多種因素。實際上，所需的最小間距取決于：

布線方式（微帶線與帶狀線）

是否使用單端或差分對布線

基板的介電常數

走線與其下一層的地平面之間的距離

由于我們正在考慮需要確定受控阻抗所需的走線寬度的情況，因此我將通過比較產生 50 歐姆阻抗微帶所需的走線寬度與相同的共面波導來測試 3W 規則阻抗。我將對不同的層厚度執行此操作，以便我們可以看到此參數如何影響所需的離地間隙。此處的目標是確定生產具有與微帶相同阻抗和跡線寬度的共面波導所需的最小間距。

結果

我首先生成了一組曲線，顯示了在 370HR Isola 層壓板（Dk ~ 4.1，~0.02損耗角正切@ 1 GHz）上產生 50 歐姆阻抗所需的微帶線寬度、帶狀線寬度和共面寬度（內部和表面層）。這些計算是在 Simbeor 中進行的。下圖顯示了這些結果，并允許將每種類型的走線寬度與 5 密耳的特定走線接地澆注間距進行比較。

該圖中的走線寬度曲線都對應于同一基板上所有四種布線方式的 50 歐姆傳輸線。共面波導 (CPW) 布置與接地平面有 5 mil 的間隙。

從這里，我們可以看到一些特定的疊層，其中 CPW 和微帶線/帶狀線將具有 50 歐姆的阻抗和相同的走線寬度，即使離地間隙非常接近 CPW 中的走線。

下圖對此進行了進一步調查。它顯示了產生具有相同走線寬度的 50 歐姆阻抗微帶線和 50 歐姆共面波導所需的最小走線到地間距。還顯示了帶狀線和內層上的共面波導的結果。

共面波導 (CPW) 中的最小跡線到地間距將在給定跡線寬度的微帶線/帶狀線中產生相同的阻抗。

對上圖的解釋非常簡單：這顯示了當微帶線/帶狀線具有相同的走線寬度時，CPW 中產生相同阻抗所需的最小走線到地間距。從這里，我們終于可以生成我們對 3W 規則的測試。只需將 y 軸數據除以 x 軸數據即可生成下圖：

計算出的 370HR 層壓板的凈寬比。請注意，其他電介質將具有不同的介電常數，因此會產生不同的曲線。

很明顯，3W 規則過于保守，除非在薄電介質中使用帶狀線布線。如果您愿意，請遵循它，因為它可以防止對您的阻抗造成過度干擾。但是，該距離可能無法提供您需要的隔離。這是一個可以使用場解算器通過查看不同互連之間的耦合網絡參數和串擾系數來測試的領域。

概括

從上面的結果可以很清楚地看出，用于確定微帶線和附近接地點之間的地線間距的 3W 規則過于保守。請注意，上述介電厚度是您可能會在 4 層或更厚的疊層中找到的實用值，具體取決于用于疊層構造的層壓板。我們還可以看到，對于到地平面的給定距離，微帶線可以有更緊密的間隙，而帶狀線在較薄的電介質中需要更大的間隙。最終，當電介質變得足夠厚時，這兩條曲線將相互收斂。