Полосковая линия

Ранняя электронная передающая среда

Поперечный разрез полосковой геометрии. Центральный проводник (A) зажат между заземляющими плоскостями (B и D). Структура поддерживается диэлектриком (C).

В электронике полосковая линия — это поперечная электромагнитная (TEM) линия передачи, изобретенная Робертом М. Барреттом из Кембриджского исследовательского центра ВВС в 1950-х годах. Полосковая линия — самая ранняя форма планарной линии передачи .

Описание

Полосковая линия использует плоскую полоску металла, которая зажата между двумя параллельными заземляющими плоскостями . Изоляционный материал подложки образует диэлектрик . Ширина полосы, толщина подложки и относительная диэлектрическая проницаемость подложки определяют характеристическое сопротивление полосы, которая является линией передачи . Как показано на схеме, центральный проводник не обязательно должен быть равномерно расположен между заземляющими плоскостями. В общем случае диэлектрический материал может быть разным выше и ниже центрального проводника. Полосковая линия, которая использует воздух в качестве диэлектрического материала, известна как воздушная полосковая линия .

Чтобы предотвратить распространение нежелательных мод, две заземляющие плоскости должны быть закорочены. Обычно это достигается рядом переходных отверстий , проходящих параллельно полосе с каждой стороны.

Как и коаксиальный кабель , полосковая линия недисперсионна и не имеет частоты среза . Хорошая изоляция между соседними трассами может быть достигнута легче, чем с помощью микрополосковой линии . Полосковая линия обеспечивает повышенную помехоустойчивость против распространения излучаемых радиочастотных излучений за счет более медленной скорости распространения по сравнению с микрополосковыми линиями. Эффективная диэлектрическая проницаемость полосковых линий равна относительной диэлектрической проницаемости диэлектрической подложки из-за распространения волн только в подложке. Следовательно, полосковые линии имеют более высокую эффективную диэлектрическую проницаемость по сравнению с микрополосковыми линиями, что, в свою очередь, снижает скорость распространения волн (см. также фактор скорости ) в соответствии с

${\displaystyle v_{\mathrm {p} }={\frac {c_{0}}{\sqrt {\epsilon _{\mathrm {r,eff} }}}}.}$

История

Stripline , который теперь используется как общее название, изначально был фирменным брендом Airborne Instruments Laboratory Inc. (AIL). Версия, произведенная AIL, была по сути воздушно-изолированной ( воздушная полосковая линия ) с тонким слоем диэлектрического материала — как раз достаточным для поддержки проводящей полосы. Проводник был напечатан с обеих сторон диэлектрика. Более знакомая версия с пространством между двумя пластинами, полностью заполненным диэлектриком, изначально производилась Sanders Associates, которая продавала ее под торговой маркой triplate . ^[1]

Первоначально полосковая линия была предпочтительнее своего конкурента, микрополосковой, произведенной ITT . Передача в полосковой линии осуществляется исключительно в режиме TEM , и, следовательно, дисперсии нет (при условии, что диэлектрик подложки сам по себе не является дисперсионным). Кроме того, элементы разрывов на линии (зазоры, шлейфы , столбы и т. д.) представляют собой чисто реактивное сопротивление. Это не относится к микрополосковой линии; различные диэлектрики над и под полоской приводят к продольным не-TEM компонентам волны. Это приводит к дисперсии, а элементы разрывов имеют резистивный компонент, заставляющий их излучать. В 1950-х годах Эжен Фубини , в то время работавший в AIL, в шутку предположил, что микрополосковый диполь станет хорошей антенной. Это было сделано для того, чтобы подчеркнуть недостатки микрополосковой, но микрополосковая патч-антенна стала самой популярной конструкцией антенны в мобильных устройствах. ^[2] Полосковая линия оставалась на подъеме благодаря своим преимуществам в производительности в течение 1950-х и 1960-х годов, но в конечном итоге победила микрополосковая линия, особенно в изделиях массового производства, потому что ее было легче собирать, а отсутствие верхнего диэлектрика означало, что компоненты были более доступны и настраиваемы. По мере увеличения сложности печатных схем этот вопрос удобства стал более важным, пока сегодня микрополосковая линия не стала доминирующей планарной технологией. Миниатюризация также приводит к предпочтению микрополосковой линии, потому что ее недостатки не столь серьезны в миниатюрной схеме. Однако полосковая линия по-прежнему выбирается там, где требуется работа в широкой полосе. ^[3]

Сравнение с микрополосковой линией

Микрополосковая линия похожа на полосковую линию передачи, за исключением того, что микрополосковая линия не зажата, она находится на поверхностном слое, над плоскостью заземления. Полосковая линия более дорогая в изготовлении, чем микрополосковая, и из-за второй плоскости заземления ширина полоски намного уже для заданного импеданса и толщины платы, чем у микрополосковой линии.

Характеристическое сопротивление

Точное уравнение замкнутой формы для характеристического импеданса полосковой линии с тонким центральным проводником было представлено в виде ^[4]

${\displaystyle {\begin{aligned}Z_{stripline}&={\frac {30\pi }{\sqrt {E_{r}}}}{\frac {1-T}{W_{eff}+C_{f}}}\\C_{f}&={\frac {2}{\pi }}ln{\biggr (}{\frac {1}{1-T}}+1{\biggr )}-{\frac {T}{\pi }}ln{\biggr (}{\frac {1}{(1-T)^{2}}}-1{\biggr )}\\\end{aligned}}}$

Где:

${\displaystyle {\begin{aligned}W_{eff}&={\begin{cases}W-{\frac {(0.35-W)^{2}}{1+12T}},&W<0.35\\W,&W\geq 0.35\end{cases}}\\T&={\frac {t}{h}}\\W&={\frac {w}{h}}\\w&={\text{width of the stripline conductor}}\\t&={\text{thickness of the stripline conductor}}\\h&={\text{thickness of the substrate from the top ground plate to the bottom ground plate}}\\E_{r}&={\text{dielectric constant of the substrate dielectric material}}\end{aligned}}}$

Обратите внимание, что при малой толщине проводника, T<<1 или t<<h, уравнения значительно упрощаются.

${\displaystyle {\begin{aligned}Z_{stripline}&={\frac {30\pi }{\sqrt {Er}}}{\frac {1}{W_{eff}+0.441271}}\\\end{aligned}}}$

Где:

${\displaystyle {\begin{aligned}W_{eff}&={\begin{cases}W-(0.35-W)^{2},&W<0.35\\W,&W\geq 0.35\end{cases}}\\\end{aligned}}}$

Утверждается, что точность формулы составляет не менее 1% для W/(HT) > 0,05 и T < 0,025.

Для толстых проводников Уиллер приводит следующие более точные уравнения ^[5]

${\displaystyle {\begin{aligned}Z_{stripline}={\frac {30}{\sqrt {E_{r}}}}ln{\biggr (}1+{\frac {C}{2}}{\big (}C+{\sqrt {C^{2}+6.27}}{\big )}{\biggr )}\\\end{aligned}}}$

Где:

${\displaystyle {\begin{aligned}C&={\frac {8(1-T)}{\pi (W+\Delta W)}}\\\Delta W&={\frac {T}{\pi (1-T)}}{\biggr \{}1-{\frac {1}{2}}ln{\biggr [}{\bigg (}{\frac {T}{2-T}}{\biggr )}^{2}+{\biggr (}{\frac {.0796T}{W+1.1T}}{\biggr )}^{M}{\biggr ]}{\biggr \}}\\M&={\frac {3}{1.5+{\frac {T}{(1-T)}}}}\\\end{aligned}}}$

Где T и W определены так же, как в приведенном выше выражении.

Утверждается, что точность составляет не менее 0,5% для C>0,25.

Нецентрированный проводник

Для полосковых проводников, которые не центрированы, то есть расстояние до верхней заземляющей плоскости не такое же, как до нижней заземляющей плоскости, существуют стратегии оценки характеристического сопротивления по крайней мере одним из двух способов.

Оценка Zo с использованием верхней и нижней емкости

Если асимметрия расположения проводников невелика, то нижнюю и верхнюю емкость на единицу длины можно оценить для верхней плоскости заземления и нижней плоскости заземления, используя уравнения центрированной полосковой линии и стандартные уравнения линии передачи для однородных линий, и где - скорость света. ${\displaystyle V_{c}^{2}/\varepsilon _{r}=1/LC}$ ${\displaystyle Z_{o}^{2}=L/C}$ ${\displaystyle V_{c}}$

Каждой полосковой линии можно оценить независимо, а результаты использовать для оценки асимметричной полосковой линии. Небольшие ошибки вносятся в оценку из-за слегка отличающихся путей емкости к заземляющим плоскостям между оцениваемым асимметричным случаем и симметричными случаями, используемыми для оценки, поэтому только небольшое асимметричное размещение полосы, как ожидается, даст приемлемую оценку для асимметрично размещенной полосы. ${\displaystyle Z_{o}}$ ${\displaystyle Z_{o}}$ ${\displaystyle Z_{o}}$ ${\displaystyle Z_{o}}$

Подводя итог:

${\displaystyle {\begin{aligned}Z_{oL}&=Z_{o}{\text{ of a stripline of height }}2H_{L}\\Z_{oU}&=Z_{o}{\text{ of a stripline of height }}2H_{U}\\C_{oL}&={\frac {\sqrt {\varepsilon _{r}}}{V_{c}Z_{oL}}}\\C_{oU}&={\frac {\sqrt {\varepsilon _{r}}}{V_{c}Z_{oU}}}\\C_{o}&=C_{oL}/2+C_{oU}/2\\L_{o}&={\frac {\varepsilon _{r}}{C_{o}V_{c}^{2}}}\\Z_{o}&={\sqrt {\frac {L_{o}}{C_{o}}}}\\\end{aligned}}}$.

Где:

${\displaystyle V_{c}}$это скорость света в вакууме.

${\displaystyle H_{L}}$и измеряются от центра проводника до нижней и верхней заземляющей плоскости соответственно. ${\displaystyle H_{U}}$

Co и Lo — емкость и индуктивность на единицу длины соответствующей линии передачи.

Оценка Zo с использованием микрополоскового металлического покрытия

Если в асимметричной полосковой линии нет диэлектрика, то полосковая линия выглядит как микрополосковая линия с диэлектриком из воздуха, , внутри металлического корпуса. Это позволяет рассчитать характеристическое сопротивление воздуха, , с помощью уравнений микрополоскового металлического корпуса . Когда известно, можно рассчитать с помощью . Точность этой оценки количественно определена и указана в уравнениях микрополоскового металлического корпуса. ${\displaystyle \varepsilon =1}$ ${\displaystyle Z_{o}^{a}}$ ${\displaystyle Z_{o}^{a}}$ ${\displaystyle Z_{o}}$ ${\displaystyle Z_{o}=Z_{o}^{a}/{\sqrt {\varepsilon _{r}}}}$ ${\displaystyle Z_{o}}$

Потери

Поскольку расчет потерь в микрополосковой линии не является прямой функцией диэлектрической проницаемости и геометрии или высоты металлического покрытия, уравнения потерь в микрополосковой линии можно также использовать для потерь в полосковой линии, рассматривая ε _re как константу, равную ε _{r. ^[6]}

Смотрите также

• Печатная плата
• Фильтр распределенных элементов
• Делители мощности и направленные ответвители
• Микрополоски

Ссылки

1. Олинер, стр.556-559
2. Ярман, стр. 67
3. Олинер, стр. 558-562
4. Стир, Майкл (21 октября 2020 г.). "3.7: Stripline - Engineering LibreTexts". Engineering LibreTexts .
5. Ри, Рэндалл В. (1995). Проектирование ВЧ-фильтров и компьютерное моделирование. Нью-Йорк, США: McGraw-Hill. С. 106, 107. ISBN 0-07-052055-0.
6. Гарг, Рамеш; Бахл, Индер; Боцци, Маурицио (2013). Микрополосковые линии и щелевые линии (3-е изд.). Бостон, Лондон: Artech House. стр. 469–473. ISBN 978-1-60807-535-5.{{cite book}}: CS1 maint: date and year (link)

Библиография

• Артур А. Олинер , «Эволюция электромагнитных волноводов», в главе 16, Саркар и др. , История беспроводной связи , John Wiley and Sons, 2006 ISBN 0-471-71814-9 . 
• Ярман, Бинбога Сиддик, Проектирование согласующих цепей сверхширокополосных антенн , Springer, 2008 ISBN 1-4020-8418-8 . 

Внешние ссылки

• Полосковая линия в энциклопедии микроволновых печей