Microstrip - Microstrip

Seção transversal da geometria da microtira. O condutor (A) é separado do plano de aterramento (D) pelo substrato dielétrico (C). O dielétrico superior (B) é normalmente o ar.

Microstrip é um tipo de linha de transmissão elétrica que pode ser fabricada com qualquer tecnologia em que um condutor é separado de um plano de aterramento por uma camada dielétrica conhecida como substrato. As micriplinas são usadas para transmitir sinais de frequência de microondas .

As tecnologias de realização típicas são placas de circuito impresso , alumina revestida com uma camada dielétrica ou, às vezes, silício ou algumas outras tecnologias semelhantes. Componentes de micro-ondas como antenas , acopladores , filtros , divisores de potência , etc. podem ser formados a partir de microfita, com todo o dispositivo existindo como o padrão de metalização no substrato. O Microstrip é, portanto, muito menos caro do que a tecnologia de guia de onda tradicional , além de ser muito mais leve e compacto. O Microstrip foi desenvolvido pelos laboratórios da ITT como um competidor do stripline (publicado pela primeira vez por Grieg e Engelmann nos procedimentos do IRE de dezembro de 1952).

As desvantagens da microfita em comparação com o guia de ondas são a capacidade de manipulação de energia geralmente menor e as perdas maiores. Além disso, ao contrário do guia de onda, a microtira normalmente não é fechada e, portanto, é suscetível a diafonia e radiação não intencional.

Para o menor custo, os dispositivos de microfita podem ser construídos sobre um substrato FR-4 comum (PCB padrão). No entanto, é frequentemente descoberto que as perdas dielétricas em FR4 são muito altas em frequências de micro-ondas e que a constante dielétrica não é controlada de forma suficientemente rígida. Por essas razões, um substrato de alumina é comumente usado. Do ponto de vista da integração monolítica, microtrips com circuito integrado / tecnologias de circuito integrado de micro-ondas monolíticas podem ser viáveis, no entanto, seu desempenho pode ser limitado pela (s) camada (s) dielétrica (s) e espessura do condutor disponível.

As linhas microstrip também são usadas em projetos de PCB digital de alta velocidade, onde os sinais precisam ser roteados de uma parte da montagem para outra com distorção mínima, evitando alta diafonia e radiação.

Microstrip é uma das muitas formas de linha de transmissão plana , outras incluem stripline e guia de onda coplanar , e é possível integrar todas no mesmo substrato.

Uma microfita diferencial - um par de linhas de microfita balanceado - é frequentemente usada para sinais de alta velocidade, como relógios DDR2 SDRAM , linhas de dados USB de alta velocidade , linhas de dados PCI Express , linhas de dados LVDS , etc., muitas vezes todos no mesmo PCB. A maioria das ferramentas de projeto de PCB oferece suporte a esses pares diferenciais .

Inomogeneidade

A onda eletromagnética transportada por uma linha de microtira existe parcialmente no substrato dielétrico e parcialmente no ar acima dele. Em geral, a constante dielétrica do substrato será diferente (e maior) do que a do ar, de modo que a onda está viajando em um meio não homogêneo. Em consequência, a velocidade de propagação está em algum lugar entre a velocidade das ondas de rádio no substrato e a velocidade das ondas de rádio no ar. Este comportamento é comumente descrito declarando a constante dielétrica efetiva (ou permissividade relativa efetiva) da microfita; sendo esta a constante dielétrica de um meio homogêneo equivalente (ou seja, um resultando na mesma velocidade de propagação).

Outras consequências de um meio não homogêneo incluem:

  • A linha não suportará uma onda TEM verdadeira ; em frequências diferentes de zero, ambos os campos E e H terão componentes longitudinais (um modo híbrido ). Os componentes longitudinais são pequenos, entretanto, e assim o modo dominante é referido como quase-TEM.
  • A linha é dispersiva . Com o aumento da frequência, a constante dielétrica efetiva sobe gradualmente em direção à do substrato, de modo que a velocidade da fase diminui gradualmente. Isso é verdade mesmo com um material de substrato não dispersivo (a constante dielétrica do substrato geralmente cairá com o aumento da frequência).
  • A impedância característica da linha muda ligeiramente com a frequência (novamente, mesmo com um material de substrato não dispersivo). A impedância característica dos modos não-TEM não é definida exclusivamente e, dependendo da definição precisa usada, a impedância da microtira aumenta, diminui ou diminui e aumenta com frequência crescente. O limite de baixa frequência da impedância característica é referido como impedância característica quase estática e é o mesmo para todas as definições de impedância característica.
  • A impedância da onda varia ao longo da seção transversal da linha.
  • As linhas de microfita irradiam e elementos de descontinuidade, como stubs e postes, que seriam reatâncias puras em stripline, têm um pequeno componente resistivo devido à radiação proveniente deles.

Impedância característica

Uma expressão aproximada de forma fechada para a impedância característica quase estática de uma linha de microfita foi desenvolvida por Wheeler :

onde w eff é a largura efetiva , que é a largura real da tira, mais uma correção para levar em conta a espessura diferente de zero da metalização:

Aqui, Z 0 é a impedância do espaço livre , ε r é a permissividade relativa do substrato, w é a largura da tira, h é a espessura ("altura") do substrato e t é a espessura da metalização da tira.

Esta fórmula é assintótica a uma solução exata em três casos diferentes:

  1. w ≫ h , qualquer ε r (linha de transmissão de placa paralela),
  2. w ≪ h , ε r = 1 (fio acima de um plano de massa), e
  3. w ≪ h , ε r ≫ 1 .

Alega-se que para a maioria dos outros casos, o erro na impedância é menor que 1%, e sempre menor que 2%. Ao cobrir todas as relações de aspecto em uma fórmula, Wheeler 1977 melhora em Wheeler 1965, que dá uma fórmula para w / h > 3,3 e outra para w / h ≤ 3,3 (introduzindo assim uma descontinuidade no resultado em w / h = 3,3 ).

Curiosamente, Harold Wheeler não gostava dos termos 'microtira' e 'impedância característica' e evitou usá-los em seus artigos.

Uma série de outras fórmulas aproximadas para a impedância característica foram sugeridas por outros autores. No entanto, a maioria deles é aplicável apenas a uma faixa limitada de proporções de aspecto, ou então cobre toda a faixa por partes.

Em particular, o conjunto de equações propostas por Hammerstad, que modifica em Wheeler, são talvez as mais citadas:

onde ε eff é a constante dielétrica efetiva, aproximada como:

Curvas

Para construir um circuito completo em microtira, geralmente é necessário que o caminho de uma tira gire em um grande ângulo. Uma curva abrupta de 90 ° em uma microtira fará com que uma parte significativa do sinal na tira seja refletida de volta para sua fonte, com apenas parte do sinal transmitido ao redor da curva. Um meio de efetuar uma dobra de baixa reflexão é curvar o caminho da tira em um arco de raio de pelo menos 3 vezes a largura da tira. No entanto, uma técnica muito mais comum, e que consome uma área menor de substrato, é usar uma dobra mitrada.

Curva em mitra de 90 ° Microstrip. A porcentagem de mitra é 100 x / d .

Para uma primeira aproximação, uma curva abrupta não mitred se comporta como uma capacitância shunt colocada entre o plano de aterramento e a curva na tira. Reduzir a curvatura reduz a área de metalização e, portanto, remove o excesso de capacitância. A porcentagem de mitra é a fração de corte da diagonal entre os cantos interno e externo da curva não mitra.

A mitra ideal para uma ampla gama de geometrias de microfita foi determinada experimentalmente por Douville e James. Eles descobrem que um bom ajuste para a porcentagem ideal de mitra é dado por

sujeito a w / h ≥ 0,25 e com a constante dielétrica do substrato ε r ≤ 25 . Esta fórmula é totalmente independente de ε r . A faixa real de parâmetros para os quais Douville e James apresentam evidências é de 0,25 ≤ w / h ≤ 2,75 e 2,5 ≤ ε r ≤ 25 . Eles relatam um VSWR melhor do que 1,1 (ou seja, uma perda de retorno melhor do que −26 dB) para qualquer mitra percentual dentro de 4% (do d original ) do dado pela fórmula. No mínimo w / h de 0,25, a porcentagem de esquadria é de 98,4%, de modo que a tira está quase cortada.

Para ambas as curvas, curvas e mitradas, o comprimento elétrico é um pouco menor do que o comprimento do caminho físico da tira.

Veja também

Referências

links externos