PCB中的微帶線和帶狀線有什么區別？

2021-02-02

PCB通常使用兩種類型的傳輸線：微帶線和帶狀線。每條傳輸線均由信號跡線和參考平面組成。根據傳輸線的幾何形狀，必須將信號走線和參考平面假定為一個單位。永遠不要劃分它們，因為微帶和帶狀線具有定義其屬性的獨特的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。但是，了解哪種阻抗匹配技術在設計中也很重要。我必須告訴您，傳輸線技術都不是完美的。涉及傳輸線的PCB設計方程只是一個近似值，根據規格精確到不同程度。

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（介電常數和損耗角正切）并調整引導波長，傳播速度和特性阻抗來改變。這些參數最終會改變EM場分布，從而改變傳輸線的屬性。

什么是PCB中的微帶線？

微帶線由電介質基板上的帶狀導體組成，并由接地層支撐。

微帶線是一條平面傳輸線，主要用于RF和微波電路。它在PCB表面布線，并被兩個環境包圍：PCB材料和空氣。微帶線由電介質基板上的帶狀導體（焊盤）組成，該導體由接地層支撐，當接地層和帶狀層之間的間距增加時，該輻射層會輻射出去。

微帶線中的傳播方式是什么？

在微帶中，主要的傳播方式是準TEM（橫向電磁）。因此，橫截面中的相速度，特性阻抗和磁場變化與頻率有關。

微帶中傳播的電磁場。

微帶中的有效介電常數（? eff）是多少？

存儲在微帶裝置中的電能不僅存在于空氣中，還存在于空氣中，因此，傳輸線上信號的有效介電常數將介于空氣和電介質之間。該有效介電常數決定了微帶傳輸線上電磁波的相速度。

微帶線是分散的。隨著頻率增加，有效介電常數也朝著基板增加，導致相速度降低。有效介電常數認為大部分電場都保留在基板內，但是總能量的一部分存在于板上方的空氣中。

ε EFF還與自由空間波長而變化。隨著條帶寬度與基底厚度/寬度/高度的比率減小，分散變得更加顯著。隨著帶材寬度的增加，分散性不太明顯。在這種情況下，微帶似乎是理想的平行板電容器。ε EFF應該比空氣的介電常數（大于ε - [R = 1）并且小于所述基板的介電常數的。閱讀PCB基板：了解介電材料的特性。

圖片來源：回顧微帶線的基礎知識。

挑戰在于，導體帶不能浸入單個電介質中

與微帶參數計算有關的具有挑戰性的問題是，導體帶沒有浸入單一的介電材料中。一側是電介質，而另一側通常是空氣。有效介電常數的概念是專門為解決這一難題而開發的。所述 εeff 表示板材料（相對介電常數之間的一些中間值率εr）和空氣（相當于1）。因此，這可以用于計算微帶參數。

微帶線的特性阻抗

對于給定的PCB層壓板和銅重量，除了信號走線（W）的寬度以外，下面給出的公式可用于設計PCB走線以匹配電路所需的阻抗。對于寬度為W且厚度為T的信號跡線，其介電常數為?r的PCB電介質與地（或電源）平面之間的距離為H時 ，特征阻抗（Zo）為：

微帶線的特征阻抗隨著頻率的增加而變化。這里需要注意的一點是，IPC微帶方程在50至100Ω之間最準確，但對于較低/較高的阻抗則較不準確。

注意：所有尺寸均以密耳為單位。

微帶線的特性電容

其中T是電路板的厚度，H是走線之間的間距。

微帶線的延遲常數

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

微帶結構的優點

微帶線是一種“開放”的線路結構。它使連接組件變得非常容易。

它可以以高密度（多通道）封裝在一起，并且串擾最小，從而使其適用于RF和微波IC設計。

其平面拓撲受PCB制造工藝公差的影響最小。

它具有更快的傳播時間。

該技術同時提供了良好的散熱和機械支持。

微帶線的損耗

導線的有限電導率

輻射效應（取決于介電常數，基板厚度，電路幾何形狀和頻率）

鐵氧體表示與磁性基材有關的磁損耗

基板的有限電阻率和傾倒現象

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

如何減少微帶線的損耗？

將基板懸空懸空以減少微帶中的損耗。

可以通過將基材懸浮在空中來完成。微帶的懸掛意味著信號路徑與接地路徑之間的距離增加，這也增強了微帶輻射的趨勢，特別是在不連續處。

懸浮如何幫助減少微帶中的損耗？

基板底部和接地層之間的空氣包含電磁場。微帶的插入損耗降低了，因為與標準電路板基板相比，空氣基本上沒有介電損耗。另外，由于較低的有效介電常數，微帶線的寬度增加。較寬的線具有較低的電流密度，因此具有較低的歐姆損耗。微帶懸掛技術僅在高達幾個GHz的頻率下使用。

注意： 較小的寬度總是導致更多的損耗。

多層微帶線

微帶幾何結構用于在低頻下傳導電磁波，但在60GHz以上，由于損耗，其應用受到限制。這就是不能在THz頻率下使用它們的原因。

在多層微帶中使用不同的基板層。

 可以在襯底層的不同配置上設計多層微帶線。它可以是單層，雙層或多層材料。隨著對SoC要求的需求，多層基板的使用在高頻下已經增加。

多層基板材料在微帶結構中的優勢

減少損失并控制膨脹系數

適用于天線設計，可提供良好的表面波抗擾度增益和帶寬增強以及良好的機械集成

什么是PCB中的帶狀線？

帶狀線布設在PCB的內層，這就是為什么它僅被一種環境（即PCB材料）包圍的原因。此技術最好用于多層PCB設計中，信號走線由上方和下方的接地層支持。 

在帶狀線上，高頻信號走線的電流返回路徑位于接地（電源）平面上信號走線的上方和下方。由于這種布置，高頻信號保留在PCB內，從而減少了發射，還可以屏蔽傳入的雜散信號。

帶狀線的特征阻抗

帶狀線的特征阻抗取決于介電常數以及帶狀中心導體和接地層的橫截面幾何形狀。帶狀線的特性阻抗隨著帶狀寬度W e的增加而減小。

注意： b是兩個平面之間的間距，W e是有效帶材寬度。

帶狀線的特征電容

帶狀線的延遲常數

帶狀線中給定長度的傳播延遲（tpd）僅是電介質εr的函數。

帶狀線設計注意事項

帶狀線上的電磁場分布。

帶狀線傳輸線由三層導體組成，其中內部導體稱為“夾層導體”，而連接在信號地上的其他兩層稱為接地導體。夾層導體嵌入具有介電常數（Er）的均質各向同性電介質中。

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時間定義。

帶狀線的外部導體之間的區域僅包含一個介質。這就是基本模式（TEM）的相速度和特征阻抗不隨頻率變化的原因。

在TEM模式下，內部導體處于等電位狀態（每個點都處于相同電位）。

帶狀線布置的優點

它為信號走線提供屏蔽和保護。

低阻抗，因此發射更少，并且串擾

在50MHz以上可以看到改善

帶狀線布置具有更好的EMI特性。

帶狀線布置的局限性

由于帶狀線包含嵌入式信號跡線，因此很難調試此類跡線。換句話說，PCB原型設計和故障排除將很困難。

解耦困難

低阻抗，可正確匹配

帶狀線的損失是什么？

導體的有限導電性

磁共振

電介質的有限電阻率和傾倒現象

設計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，因為它可以在各層之間布線，但帶狀線接地需要引起注意。如果頂部和底部接地平面的電位不同，則平行板模式可以在它們之間傳播。如果被激發，該模式將不會被限制在帶狀區域附近，而將能夠傳播到存在兩個接地平面的任何地方。

帶狀線比微帶線對金屬外殼的側向接地面更不敏感，因為電磁場在中心導體和上下接地面附近被強烈地抑制。

如果頂部和底部接地層的電位不同，會發生什么？

帶狀線的頂部和底部接地平面。

平行板模式將開始在頂部和接地層之間傳播。而且它不會局限于帶狀區域，而是會在兩個接地平面存在的任何地方傳播。平行板模式可以通過以下方式抑制：

使用金屬化的通孔連接頂部和底部接地層

緊密放置通孔（通孔之間的間距應為電介質中波長的1/8，以防止接地層之間的電勢差。）

如果過孔離帶狀線邊緣太近，則它們可能會干擾特征阻抗。因此，通孔間距應至少為3條帶寬度。

因此，可以在不使用帶狀線布置的情況下設計多層PCB嗎？

嵌入式走線可以由雙層兩層PCB設計代替，即總共四層銅層。

可以使用嵌入式走線設計多層PCB。

布線在頂部PCB表面的走線與電源平面形成微帶，而底部走線與接地平面形成微帶。 

在此，可以方便地訪問兩個外層的信號跡線，以進行測量和故障排除。但是，這種布置沒有利用平面的屏蔽特性，從而導致更大的發射和對外部信號的敏感性。

上圖右側給出的排列使用嵌入的跡線，并且確實充分利用了平面?？梢愿鶕δ匾男畔⒂羞x擇地進行PCB設計的嵌入式和非嵌入式布置之間的選擇。易于測試或降低EMI和EMC。

使用微帶線和帶狀線的布線技術

除了制造和介電差異外，PCB微帶和帶狀線設計也具有布線差異。 

微帶路由：在外部層上路由的傳輸線被視為微帶。它們的建模取決于走線的厚度和寬度，以及基板的高度和電介質類型。

微帶差分對路由：該技術用于路由差分對，其布置與常規微帶路由相同，但由于差分對具有額外的走線間距，因此其模型更為復雜。

嵌入式微帶路由： 此結構類似于常規微帶，不同之處在于傳輸線上方還有另一個介電層。 

共面微帶布線：在共面微帶布線中，信號走線平行于兩個接地層布線。這些接地層為信號提供了自然屏蔽，以防止來自板上其他走線的干擾。 

帶狀線布線： 在此技術中，走線在內部層上布線。與微帶線一樣，其建模基于走線的厚度和寬度，襯底的高度，電介質類型以及嵌入在兩個平面之間的走線的計算。

共面帶狀線布線：在共面帶狀線布線中，信號走線在內部平行于兩個接地層布線。  

寬帶耦合帶狀線布線：此技術還用于布線內部層差分對。

表面光潔度和銅粗糙度對導體損耗的影響

由于導體邊緣的高電流密度，表面光潔度會影響導體損耗。

PCB行業中使用的大多數金屬飾面的導電性都比銅（金，鎳，鋁，黃銅，焊料，錫）低。較低的電導率會導致較高的導體損耗，從而增加插入損耗。銀是例外，不會增加銅導體的損耗。

鍍金層非常?。s0.05um），但在頻率約為1THz之前，趨膚深度不會接近該厚度。

化學鍍鎳浸金（ENIG）涂層被廣泛使用，因為它可以保護鎳免受氧化。

當趨膚深度接近或小于銅表面粗糙度的尺寸時，表面粗糙度將顯著增加導體損耗，從而最終減慢波的傳播。

一定程度的銅粗糙度總是被施加以促進對介電材料的粘附并改善層壓板的剝離強度。

導體粗糙度的電影響會隨頻率增加，增加電容，增加群延遲，在較寬的帶寬上降低特性阻抗，并明顯增加Dk以匹配群延遲與頻率特性。

微帶中的歐姆損耗和介電損耗限制了其功率處理能力。

由于導體和介電損耗而引起的溫度升高限制了微帶線的平均功率，而帶狀導體和接地層之間的擊穿則限制了峰值功率。

微帶線和帶狀線設計的介電常數和引導波長

介電常數（材料對真空的電密度）和損耗角正切（材料的損耗）是專用PCB跡線設計所需的兩個關鍵參數。 

PCB材料的介電常數大于1。介于真空和空氣的介電常數之間。因此，PCB上的引導波長將比真空/空氣中的波長短，并且傳播速度也將低于光速。 

如果介電常數較高，則導向波長將較短。這就是為什么兩條走線之間相同的長度不匹配會導致更大的傳播延遲的原因。考慮到這一事實，建議使用介電常數低的材料。

過渡到介電常數更高的材料時，波長的收縮。

對于帶狀線，引導的波長為： 

對于微帶，其引導波長為： 

?eff取決于走線寬度（w），信號走線與接地層之間的高度（h）和?r。

對于相同的材料，信號在微帶中的傳播速度將比帶狀線更快。

相同長度的微帶和帶狀線的傳播延遲比較。

準確設計帶狀線和微帶傳輸線以實現適當的阻抗匹配和/或脈沖延遲時間非常重要。了解微帶線和帶狀線布線的基本原理有助于PCB設計人員將這些本地電路技術應用于其設計中。