微带線(xiàn)离地间隙：多(duō)近才算太近？

2021-06-08

微带線(xiàn)离地间隙：多(duō)近才算太近？

如果您查看有(yǒu)关控制阻抗走線(xiàn)的尺寸和计算宽度的任何指南，您将清楚地看到走線(xiàn)宽度是在走線(xiàn)附近没有(yǒu)任何接地灌注的情况下计算的。但是，大多(duō)数设计人员（以及基本的 PCB 布局指南）会指出，每个 PCB 层上未使用(yòng)的區(qū)域应填充接地覆铜。

这里有(yǒu)一个明显的矛盾，在 PCB 设计社區(qū)中没有(yǒu)得到很(hěn)好的讨论。如果你在微带附近引入一些接地点，你现在已经形成了一个共面的波导排列，现在互连的阻抗将取决于走線(xiàn)边缘和铜点之间的间距。所以现在问题变成了，您需要多(duō)少微带离地间隙才能(néng)确保达到阻抗目标？

在这篇文(wén)章中，我想更仔细地研究这个问题。先前的解释集中在一系列可(kě)能(néng)的阻抗上，而忽略了现代组件中的实际设计要求。如果您想知道确保受控阻抗所需的最小(xiǎo)微带線(xiàn)离地间隙，请继续阅读，您会找到适用(yòng)于一系列可(kě)能(néng)走線(xiàn)宽度的好答(dá)案。我将展示的设计探索结果表明，同样的解释也适用(yòng)于内层的带状線(xiàn)。

可(kě)控阻抗设计过程

在需要受控阻抗布線(xiàn)的電(diàn)路板中，您通常会在开始设计时看到特定网络/网络组的特定设计过程：

确定所考虑的特定网络的阻抗目标

确定您将使用(yòng)的堆叠以及您将路由的位置

选择布線(xiàn)方式（微带線(xiàn)、带状線(xiàn)、共面波导、单端与差分(fēn)）

计算提供所需阻抗所需的走線(xiàn)宽度

全部布線(xiàn)完成后，现在的问题是是否适合用(yòng)接地覆铜填充表层和内层的未使用(yòng)區(qū)域。然而，这现在是地面倾泻是否离迹線(xiàn)太近的问题。下图显示了在高频 (5.8 GHz) 下运行的 RF 迹線(xiàn)示例，该示例随后将用(yòng)作天線(xiàn)的馈線(xiàn)。

表层覆铜之间的射频微带布線(xiàn)和间距示例。

上面的例子非常重要，因為(wèi)许多(duō)带有(yǒu) RF 输出的组件的应用(yòng)筆(bǐ)记将推荐这种类型的布線(xiàn)，可(kě)能(néng)沿着走線(xiàn)使用(yòng)过孔栅栏。此处的目的是将 RF 走線(xiàn)与可(kě)能(néng)来自布局其他(tā)部分(fēn)或某些外部源的 EMI 隔离。然而，这些相同的应用(yòng)筆(bǐ)记通常会对 RF 走線(xiàn)和附近 GND 覆铜之间的间距给出过于保守的指导。那么，您可(kě)以将接地点与受控阻抗走線(xiàn)放置多(duō)近呢(ne)？

它是微带传输線(xiàn)还是共面波导？

目前，我想专注于单端微带線(xiàn)，因為(wèi)它们在概念上很(hěn)简单，但我将要写的所有(yǒu)内容都同样适用(yòng)于带状線(xiàn)。同样的想法也适用(yòng)于差分(fēn)对路由。

如果上图中的表层接地与走線(xiàn)太近，那么我们得到的是共面波导，而不是微带線(xiàn)。理(lǐ)论上，当表层地面倾泻距离迹線(xiàn)无限遠(yuǎn)时，我们又(yòu)回到了微带線(xiàn)。如果接地层离走線(xiàn)太近，由于走線(xiàn)边缘和地漏之间的寄生電(diàn)容，您将改变微带線(xiàn)的阻抗。这就是為(wèi)什么单端微带传输線(xiàn)和单端共面波导并不总是具有(yǒu)相同的走線(xiàn)宽度；共面波导通常需要较小(xiǎo)的宽度才能(néng)与同一叠层上的微带線(xiàn)具有(yǒu)相同的阻抗。

微带線(xiàn)和附近 GND 之间的寄生電(diàn)容增加了该传输線(xiàn)的总電(diàn)容。

从上面，我们可(kě)以看到為(wèi)什么共面波导迹線(xiàn)可(kě)能(néng)需要小(xiǎo)于同一层和叠层上的微带線(xiàn)。寄生電(diàn)容会增加走線(xiàn)每单位長(cháng)度的总電(diàn)容，因此需要增加 L 进行补偿，从而使阻抗恢复到 50 欧姆。在下一节中，我将使用(yòng)这个想法通过查看作為(wèi)离地间隙函数的 50 欧姆目标的阻抗偏差来测试接地浇注何时太靠近迹線(xiàn)。

测试“3W”规则

这里实际上有(yǒu)一个经验法则。这是“3W”规则，它规定走線(xiàn)和附近接地点之间的间距应至少為(wèi)走線(xiàn)宽度的 3 倍。我们马上就会看到，这个指南过于保守，并没有(yǒu)考虑到多(duō)种因素。实际上，所需的最小(xiǎo)间距取决于：

布線(xiàn)方式（微带線(xiàn)与带状線(xiàn)）

是否使用(yòng)单端或差分(fēn)对布線(xiàn)

基板的介電(diàn)常数

走線(xiàn)与其下一层的地平面之间的距离

由于我们正在考虑需要确定受控阻抗所需的走線(xiàn)宽度的情况，因此我将通过比较产生 50 欧姆阻抗微带所需的走線(xiàn)宽度与相同的共面波导来测试 3W 规则阻抗。我将对不同的层厚度执行此操作，以便我们可(kě)以看到此参数如何影响所需的离地间隙。此处的目标是确定生产具有(yǒu)与微带相同阻抗和迹線(xiàn)宽度的共面波导所需的最小(xiǎo)间距。

结果

我首先生成了一组曲線(xiàn)，显示了在 370HR Isola 层压板（Dk ~ 4.1，~0.02损耗角正切@ 1 GHz）上产生 50 欧姆阻抗所需的微带線(xiàn)宽度、带状線(xiàn)宽度和共面宽度（内部和表面层）。这些计算是在 Simbeor 中进行的。下图显示了这些结果，并允许将每种类型的走線(xiàn)宽度与 5 密耳的特定走線(xiàn)接地浇注间距进行比较。

该图中的走線(xiàn)宽度曲線(xiàn)都对应于同一基板上所有(yǒu)四种布線(xiàn)方式的 50 欧姆传输線(xiàn)。共面波导 (CPW) 布置与接地平面有(yǒu) 5 mil 的间隙。

从这里，我们可(kě)以看到一些特定的叠层，其中 CPW 和微带線(xiàn)/带状線(xiàn)将具有(yǒu) 50 欧姆的阻抗和相同的走線(xiàn)宽度，即使离地间隙非常接近 CPW 中的走線(xiàn)。

下图对此进行了进一步调查。它显示了产生具有(yǒu)相同走線(xiàn)宽度的 50 欧姆阻抗微带線(xiàn)和 50 欧姆共面波导所需的最小(xiǎo)走線(xiàn)到地间距。还显示了带状線(xiàn)和内层上的共面波导的结果。

共面波导 (CPW) 中的最小(xiǎo)迹線(xiàn)到地间距将在给定迹線(xiàn)宽度的微带線(xiàn)/带状線(xiàn)中产生相同的阻抗。

对上图的解释非常简单：这显示了当微带線(xiàn)/带状線(xiàn)具有(yǒu)相同的走線(xiàn)宽度时，CPW 中产生相同阻抗所需的最小(xiǎo)走線(xiàn)到地间距。从这里，我们终于可(kě)以生成我们对 3W 规则的测试。只需将 y 轴数据除以 x 轴数据即可(kě)生成下图：

计算出的 370HR 层压板的净宽比。请注意，其他(tā)電(diàn)介质将具有(yǒu)不同的介電(diàn)常数，因此会产生不同的曲線(xiàn)。

很(hěn)明显，3W 规则过于保守，除非在薄電(diàn)介质中使用(yòng)带状線(xiàn)布線(xiàn)。如果您愿意，请遵循它，因為(wèi)它可(kě)以防止对您的阻抗造成过度干扰。但是，该距离可(kě)能(néng)无法提供您需要的隔离。这是一个可(kě)以使用(yòng)场解算器通过查看不同互连之间的耦合网络参数和串扰系数来测试的领域。

概括

从上面的结果可(kě)以很(hěn)清楚地看出，用(yòng)于确定微带線(xiàn)和附近接地点之间的地線(xiàn)间距的 3W 规则过于保守。请注意，上述介電(diàn)厚度是您可(kě)能(néng)会在 4 层或更厚的叠层中找到的实用(yòng)值，具體(tǐ)取决于用(yòng)于叠层构造的层压板。我们还可(kě)以看到，对于到地平面的给定距离，微带線(xiàn)可(kě)以有(yǒu)更紧密的间隙，而带状線(xiàn)在较薄的電(diàn)介质中需要更大的间隙。最终，当電(diàn)介质变得足够厚时，这两条曲線(xiàn)将相互收敛。