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單元。并且永遠不要將它們分開，因為微帶線和帶狀線具有定義其特性的獨特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，該接地平面會輻射。

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)體條不能浸入單個電介質(zhì)中

與微帶參數(shù)計算相關(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 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

• 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。
• 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。
• 這種技術(shù)同時提供了良好的散熱和機械支持。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，因為與標(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，提供良好的表面波抗擾增益和帶寬增強以及良好的機械集成

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，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)計注意事項

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（每個點都處于相同的電位）。

帶狀線布置的優(yōu)點

• 它為信號走線提供屏蔽和保護。
• 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)計和故障排除會很困難。
• 解耦難
• 低阻抗以實現(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，因為它可以在層之間布線，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)，這種模式將不會局限于帶附近的區(qū)域，而是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橫向接地平面更不敏感，因為電磁場在中心導(dǎo)體和上下接地平面附近被強烈包含。

如果頂部和底部地平面的電位不同，會發(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。并且它不會局限于條帶周圍的區(qū)域，而是會在存在兩個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)計多層 PCB？

嵌入式走線可以用雙層兩層PCB設(shè)計代替，即總共四層銅層。

可以使用嵌入式走線設(shè)計多層 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，可以輕松訪問兩個外層的信號軌跡，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(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)計的嵌入式和非嵌入式布置之間進行選擇。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介電層。

• 共面微帶布線：在共面微帶布線中，信號走線與兩個接地平面平行布線。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)類型以及嵌入兩個平面之間的走線計算。

• 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)率會導(dǎo)致較高的導(dǎo)體損耗，從而增加插入損耗。銀是個例外，不會增加銅導(dǎo)體損耗。
• 金飾面非常?。s 0.05um），但在頻率約為 1THz 之前，趨膚深度不會接近此厚度。
• 化學(xué)鍍鎳浸金 (ENIG) 表面處理被廣泛使用，因為它可以保護鎳不被氧化。
• 當(dāng)趨膚深度接近或小于銅表面粗糙度的尺寸時，表面粗糙度會顯著增加導(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與介電材料的粘合并提高層壓板的剝離強度。
• 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。

微帶線和帶狀線設(shè)計的介電常數(shù)和引導(dǎo)波長

介電常數(shù)（材料對真空的電密度如何）和損耗角正切（材料的損耗程度）是特定應(yīng)用 PCB 走線設(shè)計所需的兩個關(guān)鍵參數(shù)。

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

如果介電常數(shù)較高，則引導(dǎo)波長將較短。這就是為什么兩條跡線之間相同長度的失配會導(dǎo)致更多的傳播延遲?？紤]到這一事實，建議使用具有低介電常數(shù)的材料。

過渡到具有更高介電常數(shù)的材料時波長的收縮。圖片來源：AN12298，恩智浦半導(dǎo)體

對于帶狀線，引導(dǎo)波長為：

對于微帶，引導(dǎo)波長為：

• ?eff 取決于走線寬度 (w)、信號走線和地平面之間的高度 (h) 和 ?r。
• 對于相同的材料，信號在微帶中比在帶狀線中傳播得更快。

相同長度的微帶線和帶狀線的傳播延遲比較。圖片來源：AN12298，恩智浦半導(dǎo)體

精確設(shè)計帶狀線和微帶傳輸線以實現(xiàn)適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ浜?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(shè)計人員將這些本土電路技術(shù)應(yīng)用到他們的設(shè)計中。