Mikroşerit - Microstrip

Mikroşerit geometrisinin kesiti. İletken (A), dielektrik substrat (C) ile yer düzleminden (D) ayrılır. Üst dielektrik (B) tipik olarak havadır.

Mikroşerit , bir iletkenin bir zemin düzleminden substrat olarak bilinen bir dielektrik katmanla ayrıldığı herhangi bir teknoloji ile imal edilebilen bir elektrik iletim hattı türüdür . Mikroşeritler, mikrodalga frekans sinyallerini iletmek için kullanılır .

Tipik gerçekleştirme teknolojileri, baskılı devre kartı , bir dielektrik katmanla kaplanmış alümina veya bazen silikon veya diğer bazı benzer teknolojilerdir. Antenler , kuplörler , filtreler , güç bölücüler vb. Gibi mikrodalga bileşenleri , alt tabaka üzerinde metalleştirme modeli olarak var olan tüm cihaz ile mikro şeritten oluşturulabilir. Microstrip bu nedenle geleneksel dalga kılavuzu teknolojisinden çok daha ucuzdur ve çok daha hafif ve daha kompakttır. Mikroserit rakip olarak ITT laboratuarlar tarafından geliştirilen şerit çizgisinin (ilk Aralık 1952 IRE işlemlerde Grieg ve Engelmann tarafından yayınlanmıştır).

Mikroşeritin dalga kılavuzuyla karşılaştırıldığında dezavantajları, genellikle daha düşük güç işleme kapasitesi ve daha yüksek kayıplardır. Ayrıca, dalga kılavuzundan farklı olarak, mikro şerit tipik olarak kapalı değildir ve bu nedenle çapraz konuşmaya ve kasıtsız radyasyona karşı hassastır.

En düşük maliyet için, mikro şerit cihazları sıradan bir FR-4 (standart PCB) alt tabakası üzerine kurulabilir . Bununla birlikte, FR4'teki dielektrik kayıpların mikrodalga frekanslarında çok yüksek olduğu ve dielektrik sabitinin yeterince sıkı bir şekilde kontrol edilmediği bulunmuştur. Bu nedenlerden dolayı, yaygın olarak bir alümina substratı kullanılır. Monolitik entegrasyon perspektifinden, entegre devre / monolitik mikrodalga entegre devre teknolojilerine sahip mikro bantlar uygulanabilir olabilir, ancak performansları, mevcut dielektrik katman (lar) ve iletken kalınlığı ile sınırlı olabilir.

Mikroşerit hatları, sinyallerin asgari bozulma ile düzeneğin bir bölümünden diğerine yönlendirilmesi ve yüksek parazit ve radyasyondan kaçınılması gereken yüksek hızlı dijital PCB tasarımlarında da kullanılır.

Mikroşerit, düzlemsel iletim hattının birçok formundan biridir , diğerleri şerit çizgisi ve eş düzlemli dalga kılavuzunu içerir ve bunların tümünü aynı alt tabaka üzerinde entegre etmek mümkündür.

DDR2 SDRAM saatleri, USB Yüksek Hızlı veri hatları, PCI Express veri hatları, LVDS veri hatları vb. Gibi yüksek hızlı sinyaller için , genellikle hepsi aynı şekilde olan diferansiyel bir mikro şerit - dengeli bir mikro şerit hattı sinyal çifti - kullanılır . PCB. Çoğu PCB tasarım aracı bu tür diferansiyel çiftleri destekler .

Homojen olmama

Bir mikroşerit hattı tarafından taşınan elektromanyetik dalga , kısmen dielektrik substratta ve kısmen de üzerindeki havada bulunur. Genel olarak, alt tabakanın dielektrik sabiti havanınkinden farklı (ve daha büyük) olacaktır, böylece dalga homojen olmayan bir ortamda hareket etmektedir. Sonuç olarak, yayılma hızı, alt tabakadaki radyo dalgalarının hızı ile havadaki radyo dalgalarının hızı arasında bir yerdedir. Bu davranış genellikle mikroşeritin etkili dielektrik sabiti (veya etkili göreceli geçirgenliği) belirtilerek tanımlanır; bu, eşdeğer homojen bir ortamın dielektrik sabitidir (yani, aynı yayılma hızıyla sonuçlanan).

Homojen olmayan bir ortamın diğer sonuçları şunları içerir:

• Hat, gerçek bir TEM dalgasını desteklemeyecektir ; sıfır olmayan frekanslarda, hem E ve H alanları uzunlamasına bileşenleri (a olacaktır hibrid mod ). Uzunlamasına bileşenler küçüktür ve bu nedenle baskın mod yarı-TEM olarak adlandırılır.
• Çizgi dağınık . Artan frekansla birlikte, etkili dielektrik sabiti kademeli olarak substratınkine doğru tırmanır, böylece faz hızı kademeli olarak azalır. Bu, dağılmayan bir substrat materyali için bile geçerlidir (substrat dielektrik sabiti genellikle artan sıklıkta düşecektir).
• Karakteristik empedans hattının (hatta bir dağıtıcı olmayan alt-tabaka malzemesi ile, yine) frekans ile bir miktar değişir. TEM olmayan modların karakteristik empedansı benzersiz bir şekilde tanımlanmamıştır ve kullanılan kesin tanıma bağlı olarak, mikro şeridin empedansı yükselir, düşer veya düşer, ardından artan frekansla yükselir. Karakteristik empedansın düşük frekans sınırı yarı statik karakteristik empedans olarak adlandırılır ve karakteristik empedansın tüm tanımları için aynıdır.
• Dalga empedans hattının bir enine kesite göre değişir.
• Mikroşerit hatları yayılır ve şerit çizgisinde saf reaktanslar olacak olan stub ve direk gibi süreksizlik elemanları, onlardan gelen radyasyon nedeniyle küçük bir direnç bileşenine sahiptir.

Karakteristik empedans

Bir mikroşerit hattının yarı statik karakteristik empedansı için kapalı form yaklaşık bir ifade Wheeler tarafından geliştirilmiştir :

${\ displaystyle Z _ {\ textrm {mikroşerit}} = {\ frac {Z_ {0}} {2 \ pi {\ sqrt {2 (1+ \ varepsilon _ {r})}}}} \ mathrm {ln} \ sol (1 + {\ frac {4h} {w _ {\ textrm {eff}}}} \ left ({\ frac {14 + 8 / \ varepsilon _ {r}} {11}} {\ frac {4h} { w _ {\ textrm {eff}}}} + {\ sqrt {\ left ({\ frac {14 + 8 / \ varepsilon _ {r}} {11}} {\ frac {4h} {w _ {\ textrm {eff }}}} \ right) ^ {2} + \ pi ^ {2} {\ frac {1 + 1 / \ varepsilon _ {r}} {2}}}} \ right) \ right),}$

burada w _eff , şeridin gerçek genişliği olan efektif genişlik , artı metalizasyonun sıfır olmayan kalınlığını hesaba katan bir düzeltmedir:

${\ displaystyle w _ {\ textrm {eff}} = w + t {\ frac {1 + 1 / \ varepsilon _ {r}} {2 \ pi}} \ ln \ left ({\ frac {4e} {\ sqrt {\ left ({\ frac {t} {h}} \ right) ^ {2} + \ left ({\ frac {1} {\ pi}} {\ frac {1} {w / t + 11/10 }} \ sağ) ^ {2}}}} \ sağ).}$

Burada Z ₀ , boş alanın empedansıdır , ε _r , substratın nispi geçirgenliğidir , w , şerit genişliğidir, h , substratın kalınlığıdır ("yükseklik") ve t , şerit metalizasyonunun kalınlığıdır.

Bu formül, üç farklı durumda kesin bir çözüme asimptotiktir:

1. w ≫ h , herhangi bir ε _r (paralel plaka iletim hattı),
2. w ≪ h , ε _r = 1 (bir yer düzleminin üzerindeki tel) ve
3. w ≪ h , ε _r ≫ 1 .

Diğer çoğu durumda, empedanstaki hatanın% 1'den az olduğu ve her zaman% 2'den az olduğu iddia edilmektedir. Wheeler 1977, bir formülde tüm en-boy oranlarını kapsayarak Wheeler 1965'i ​​geliştirir ve bu da w / h > 3.3 için bir formül ve w / h ≤ 3.3 için başka bir formül verir (böylece w / h = 3.3'te sonuçta bir süreksizlik ortaya çıkar ).

Merakla, Harold Wheeler hem 'mikro şerit' hem de 'karakteristik empedans' terimlerini beğenmedi ve kağıtlarında kullanmaktan kaçındı.

Karakteristik empedans için bir dizi başka yaklaşık formül, diğer yazarlar tarafından geliştirilmiştir. Bununla birlikte, bunların çoğu, yalnızca sınırlı bir en-boy oranı aralığı için geçerlidir ya da tüm aralığı parça parça kapsar.

Özellikle, Wheeler üzerinde değişiklik yapan Hammerstad tarafından önerilen denklem seti belki de en sık alıntılananlardır:

${\ displaystyle Z _ {\ textrm {microstrip}} = {\ begin {case} {\ dfrac {Z_ {0}} {2 \ pi {\ sqrt {\ varepsilon _ {\ textrm {eff}}}}}} \ ln \ left (8 {\ dfrac {h} {w}} + {\ dfrac {w} {4h}} \ sağ) ve {\ text {ne zaman}} {\ dfrac {w} {h}} \ leq 1 \\ {\ dfrac {Z_ {0}} {{\ sqrt {\ varepsilon _ {\ textrm {eff}}}} \ left [{\ frac {w} {h}} + 1.393 + 0.667 \ ln \ left ({\ frac {w} {h}} + 1.444 \ sağ) \ sağ]}} ve {\ text {ne zaman}} {\ dfrac {w} {h}} \ geq 1 \ end {vakalar}}}$

burada ε _eff etkin dielektrik olarak yaklaşılmaktadır:

${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ textrm {eff}} = {\ frac {\ varepsilon _ {\ textrm {r}} + 1} {2}} + {\ frac {\ varepsilon _ {\ textrm {r}} -1} {2}} \ left ({\ frac {1} {\ sqrt {1 + 12 (h / w)}}} \ right).}$

Virajlar

Mikroşeritte tam bir devre oluşturmak için, genellikle bir şerit yolunun geniş bir açıyla dönmesi gerekir. Bir mikro şeritte 90 ° 'lik ani bir bükülme, şerit üzerindeki sinyalin önemli bir kısmının, sinyalin yalnızca bir kısmının viraj etrafında iletilmesiyle kaynağına doğru geri yansıtılmasına neden olacaktır. Düşük yansımalı bir bükme gerçekleştirmenin bir yolu, şeridin yolunu şerit genişliğinin en az 3 katı yarıçaplı bir yayda bükmektir. Bununla birlikte, çok daha yaygın ve daha küçük bir alt tabaka alanı tüketen bir teknik, eğimli bir bükme kullanmaktır.

Microstrip 90 ° eğimli dirsek. Yüzde gönye 100 x / d'dir .

İlk yaklaşıma göre, ani bir azaltılmamış bükülme, şeritteki zemin düzlemi ve kıvrım arasına yerleştirilen bir şönt kapasitans olarak davranır. Bükülmeyi azaltmak, metalleşme alanını azaltır ve böylece fazla kapasitansı ortadan kaldırır. Gönye yüzdesi, eğimsiz kıvrımın iç ve dış köşeleri arasındaki köşegenin kesik kesik oranıdır.

Çok çeşitli mikro şerit geometrileri için optimum gönye, Douville ve James tarafından deneysel olarak belirlenmiştir. Optimum gönye yüzdesi için iyi bir uyumun şu şekilde verildiğini bulmuşlardır:

${\ displaystyle M = 100 {\ frac {x} {d}} \% = (52 + 65e ^ {- (27/20) (w / h)}) \%}$

tabi ağırlık / h ≥ 0.25 ve alt-tabaka bir dielektrik sabitine sahip ε _r ≤ 25 . Bu formül tamamen bağımsız olan ε _r . Douville ve James'in kanıt sunduğu gerçek parametre aralığı 0.25 ≤ w / h ≤ 2.75 ve 2.5 ≤ ε _r ≤ 25'tir . Formül tarafından verilenin% 4'ü (orijinal d'nin ) içindeki herhangi bir gönye yüzdesi için 1.1'den daha iyi bir VSWR (yani, -26 dB'den daha iyi bir geri dönüş kaybı ) bildirirler. 0.25'lik minimum ağırlık / saatte , gönye yüzdesi% 98.4'tür, böylece şerit neredeyse kesilir.

Hem kavisli hem de eğimli kıvrımlar için, elektrik uzunluğu şeridin fiziksel yol uzunluğundan biraz daha kısadır.

Ayrıca bakınız

• Dağıtılmış eleman filtresi
• Yavaş dalga kuplörü
• Spurline , bir mikro şerit çentik filtresi

Referanslar

Dış bağlantılar

• Mikrodalga Ansiklopedisinde Mikroşerit
• Mikroşerit Analizi / Sentez Hesaplayıcı