PCB中的微带線(xiàn)和带状線(xiàn)有(yǒu)什么區(qū)别？

2021-02-02

PCB通常使用(yòng)两种类型的传输線(xiàn)：微带線(xiàn)和带状線(xiàn)。每条传输線(xiàn)均由信号迹線(xiàn)和参考平面组成。根据传输線(xiàn)的几何形状，必须将信号走線(xiàn)和参考平面假定為(wèi)一个单位。永遠(yuǎn)不要划分(fēn)它们，因為(wèi)微带和带状線(xiàn)具有(yǒu)定义其属性的独特的EM场分(fēn)布。
通过将PCB走線(xiàn)阻抗与信号源匹配，可(kě)以避免PCB传输線(xiàn)中的信号反射。但是，了解哪种阻抗匹配技术在设计中也很(hěn)重要。我必须告诉您，传输線(xiàn)技术都不是完美的。涉及传输線(xiàn)的PCB设计方程只是一个近似值，根据规格精确到不同程度。

微带線(xiàn)和带状線(xiàn)传输線(xiàn)的電(diàn)磁场分(fēn)布可(kě)以通过选择PCB材料（介電(diàn)常数和损耗角正切）并调整引导波長(cháng)，传播速度和特性阻抗来改变。这些参数最终会改变EM场分(fēn)布，从而改变传输線(xiàn)的属性。

什么是PCB中的微带線(xiàn)？

微带線(xiàn)由電(diàn)介质基板上的带状导體(tǐ)组成，并由接地层支撑。

微带線(xiàn)是一条平面传输線(xiàn)，主要用(yòng)于RF和微波電(diàn)路。它在PCB表面布線(xiàn)，并被两个环境包围：PCB材料和空气。微带線(xiàn)由電(diàn)介质基板上的带状导體(tǐ)（焊盘）组成，该导體(tǐ)由接地层支撑，当接地层和带状层之间的间距增加时，该辐射层会辐射出去。

微带線(xiàn)中的传播方式是什么？

在微带中，主要的传播方式是准TEM（横向電(diàn)磁）。因此，横截面中的相速度，特性阻抗和磁场变化与频率有(yǒu)关。

微带中传播的電(diàn)磁场。

微带中的有(yǒu)效介電(diàn)常数（ϵ eff）是多(duō)少？

存储在微带装置中的電(diàn)能(néng)不仅存在于空气中，还存在于空气中，因此，传输線(xiàn)上信号的有(yǒu)效介電(diàn)常数将介于空气和電(diàn)介质之间。该有(yǒu)效介電(diàn)常数决定了微带传输線(xiàn)上電(diàn)磁波的相速度。

微带線(xiàn)是分(fēn)散的。随着频率增加，有(yǒu)效介電(diàn)常数也朝着基板增加，导致相速度降低。有(yǒu)效介電(diàn)常数认為(wèi)大部分(fēn)電(diàn)场都保留在基板内，但是总能(néng)量的一部分(fēn)存在于板上方的空气中。

ε EFF还与自由空间波長(cháng)而变化。随着条带宽度与基底厚度/宽度/高度的比率减小(xiǎo)，分(fēn)散变得更加显着。随着带材宽度的增加，分(fēn)散性不太明显。在这种情况下，微带似乎是理(lǐ)想的平行板電(diàn)容器。ε EFF应该比空气的介電(diàn)常数（大于ε - [R = 1）并且小(xiǎo)于所述基板的介電(diàn)常数的。阅读PCB基板：了解介電(diàn)材料的特性。

图片来源：回顾微带線(xiàn)的基础知识。

挑战在于，导體(tǐ)带不能(néng)浸入单个電(diàn)介质中

与微带参数计算有(yǒu)关的具有(yǒu)挑战性的问题是，导體(tǐ)带没有(yǒu)浸入单一的介電(diàn)材料中。一侧是電(diàn)介质，而另一侧通常是空气。有(yǒu)效介電(diàn)常数的概念是专门為(wèi)解决这一难题而开发的。所述 εeff 表示板材料（相对介電(diàn)常数之间的一些中间值率εr）和空气（相当于1）。因此，这可(kě)以用(yòng)于计算微带参数。

微带線(xiàn)的特性阻抗

对于给定的PCB层压板和铜重量，除了信号走線(xiàn)（W）的宽度以外，下面给出的公式可(kě)用(yòng)于设计PCB走線(xiàn)以匹配電(diàn)路所需的阻抗。对于宽度為(wèi)W且厚度為(wèi)T的信号迹線(xiàn)，其介電(diàn)常数為(wèi)ϵr的PCB電(diàn)介质与地（或電(diàn)源）平面之间的距离為(wèi)H时 ，特征阻抗（Zo）為(wèi)：

微带線(xiàn)的特征阻抗随着频率的增加而变化。这里需要注意的一点是，IPC微带方程在50至100Ω之间最准确，但对于较低/较高的阻抗则较不准确。

注意：所有(yǒu)尺寸均以密耳為(wèi)单位。

微带線(xiàn)的特性電(diàn)容

其中T是電(diàn)路板的厚度，H是走線(xiàn)之间的间距。

微带線(xiàn)的延迟常数

对于给定的传输線(xiàn)几何形状，延迟常数仅是介電(diàn)常数的函数，而不是迹線(xiàn)尺寸的函数。对于给定的PCB层压板和介電(diàn)常数，各种阻抗線(xiàn)的传播延迟常数是固定的。

微带结构的优点

微带線(xiàn)是一种“开放”的線(xiàn)路结构。它使连接组件变得非常容易。

它可(kě)以以高密度（多(duō)通道）封装在一起，并且串扰最小(xiǎo)，从而使其适用(yòng)于RF和微波IC设计。

其平面拓扑受PCB制造工艺公差的影响最小(xiǎo)。

它具有(yǒu)更快的传播时间。

该技术同时提供了良好的散热和机械支持。

微带線(xiàn)的损耗

导線(xiàn)的有(yǒu)限電(diàn)导率

辐射效应（取决于介電(diàn)常数，基板厚度，電(diàn)路几何形状和频率）

铁氧體(tǐ)表示与磁性基材有(yǒu)关的磁损耗

基板的有(yǒu)限電(diàn)阻率和倾倒现象

注意：尽管微带線(xiàn)具有(yǒu)低成本和紧凑尺寸的优势，但它比同轴線(xiàn)，波导，CPW和带状線(xiàn)的损耗更大。

如何减少微带線(xiàn)的损耗？

将基板悬空悬空以减少微带中的损耗。

可(kě)以通过将基材悬浮在空中来完成。微带的悬挂意味着信号路径与接地路径之间的距离增加，这也增强了微带辐射的趋势，特别是在不连续处。

悬浮如何帮助减少微带中的损耗？

基板底部和接地层之间的空气包含電(diàn)磁场。微带的插入损耗降低了，因為(wèi)与标准電(diàn)路板基板相比，空气基本上没有(yǒu)介電(diàn)损耗。另外，由于较低的有(yǒu)效介電(diàn)常数，微带線(xiàn)的宽度增加。较宽的線(xiàn)具有(yǒu)较低的電(diàn)流密度，因此具有(yǒu)较低的欧姆损耗。微带悬挂技术仅在高达几个GHz的频率下使用(yòng)。

注意： 较小(xiǎo)的宽度总是导致更多(duō)的损耗。

多(duō)层微带線(xiàn)

微带几何结构用(yòng)于在低频下传导電(diàn)磁波，但在60GHz以上，由于损耗，其应用(yòng)受到限制。这就是不能(néng)在THz频率下使用(yòng)它们的原因。

在多(duō)层微带中使用(yòng)不同的基板层。

 可(kě)以在衬底层的不同配置上设计多(duō)层微带線(xiàn)。它可(kě)以是单层，双层或多(duō)层材料。随着对SoC要求的需求，多(duō)层基板的使用(yòng)在高频下已经增加。

多(duō)层基板材料在微带结构中的优势

减少损失并控制膨胀系数

适用(yòng)于天線(xiàn)设计，可(kě)提供良好的表面波抗扰度增益和带宽增强以及良好的机械集成

什么是PCB中的带状線(xiàn)？

带状線(xiàn)布设在PCB的内层，这就是為(wèi)什么它仅被一种环境（即PCB材料）包围的原因。此技术最好用(yòng)于多(duō)层PCB设计中，信号走線(xiàn)由上方和下方的接地层支持。 

在带状線(xiàn)上，高频信号走線(xiàn)的電(diàn)流返回路径位于接地（電(diàn)源）平面上信号走線(xiàn)的上方和下方。由于这种布置，高频信号保留在PCB内，从而减少了发射，还可(kě)以屏蔽传入的杂散信号。

带状線(xiàn)的特征阻抗

带状線(xiàn)的特征阻抗取决于介電(diàn)常数以及带状中心导體(tǐ)和接地层的横截面几何形状。带状線(xiàn)的特性阻抗随着带状宽度W e的增加而减小(xiǎo)。

注意： b是两个平面之间的间距，W e是有(yǒu)效带材宽度。

带状線(xiàn)的特征電(diàn)容

带状線(xiàn)的延迟常数

带状線(xiàn)中给定長(cháng)度的传播延迟（tpd）仅是電(diàn)介质εr的函数。

带状線(xiàn)设计注意事项

带状線(xiàn)上的電(diàn)磁场分(fēn)布。

带状線(xiàn)传输線(xiàn)由三层导體(tǐ)组成，其中内部导體(tǐ)称為(wèi)“夹层导體(tǐ)”，而连接在信号地上的其他(tā)两层称為(wèi)接地导體(tǐ)。夹层导體(tǐ)嵌入具有(yǒu)介電(diàn)常数（Er）的均质各向同性電(diàn)介质中。

带状線(xiàn)中基本TEM模式的電(diàn)“ E”和磁“ H”场線(xiàn)在上面以定义的横截面和时间定义。

带状線(xiàn)的外部导體(tǐ)之间的區(qū)域仅包含一个介质。这就是基本模式（TEM）的相速度和特征阻抗不随频率变化的原因。

在TEM模式下，内部导體(tǐ)处于等電(diàn)位状态（每个点都处于相同電(diàn)位）。

带状線(xiàn)布置的优点

它為(wèi)信号走線(xiàn)提供屏蔽和保护。

低阻抗，因此发射更少，并且串扰

在50MHz以上可(kě)以看到改善

带状線(xiàn)布置具有(yǒu)更好的EMI特性。

带状線(xiàn)布置的局限性

由于带状線(xiàn)包含嵌入式信号迹線(xiàn)，因此很(hěn)难调试此类迹線(xiàn)。换句话说，PCB原型设计和故障排除将很(hěn)困难。

解耦困难

低阻抗，可(kě)正确匹配

带状線(xiàn)的损失是什么？

导體(tǐ)的有(yǒu)限导電(diàn)性

磁共振

電(diàn)介质的有(yǒu)限電(diàn)阻率和倾倒现象

设计具有(yǒu)带状線(xiàn)几何形状的多(duō)层板

多(duō)层電(diàn)路板通常需要带状線(xiàn)，因為(wèi)它可(kě)以在各层之间布線(xiàn)，但带状線(xiàn)接地需要引起注意。如果顶部和底部接地平面的電(diàn)位不同，则平行板模式可(kě)以在它们之间传播。如果被激发，该模式将不会被限制在带状區(qū)域附近，而将能(néng)够传播到存在两个接地平面的任何地方。

带状線(xiàn)比微带線(xiàn)对金属外壳的侧向接地面更不敏感，因為(wèi)電(diàn)磁场在中心导體(tǐ)和上下接地面附近被强烈地抑制。

如果顶部和底部接地层的電(diàn)位不同，会发生什么？

带状線(xiàn)的顶部和底部接地平面。

平行板模式将开始在顶部和接地层之间传播。而且它不会局限于带状區(qū)域，而是会在两个接地平面存在的任何地方传播。平行板模式可(kě)以通过以下方式抑制：

使用(yòng)金属化的通孔连接顶部和底部接地层

紧密放置通孔（通孔之间的间距应為(wèi)電(diàn)介质中波長(cháng)的1/8，以防止接地层之间的電(diàn)势差。）

如果过孔离带状線(xiàn)边缘太近，则它们可(kě)能(néng)会干扰特征阻抗。因此，通孔间距应至少為(wèi)3条带宽度。

因此，可(kě)以在不使用(yòng)带状線(xiàn)布置的情况下设计多(duō)层PCB吗？

嵌入式走線(xiàn)可(kě)以由双层两层PCB设计代替，即总共四层铜层。

可(kě)以使用(yòng)嵌入式走線(xiàn)设计多(duō)层PCB。

布線(xiàn)在顶部PCB表面的走線(xiàn)与電(diàn)源平面形成微带，而底部走線(xiàn)与接地平面形成微带。 

在此，可(kě)以方便地访问两个外层的信号迹線(xiàn)，以进行测量和故障排除。但是，这种布置没有(yǒu)利用(yòng)平面的屏蔽特性，从而导致更大的发射和对外部信号的敏感性。

上图右侧给出的排列使用(yòng)嵌入的迹線(xiàn)，并且确实充分(fēn)利用(yòng)了平面。可(kě)以根据对您重要的信息有(yǒu)选择地进行PCB设计的嵌入式和非嵌入式布置之间的选择。易于测试或降低EMI和EMC。

使用(yòng)微带線(xiàn)和带状線(xiàn)的布線(xiàn)技术

除了制造和介電(diàn)差异外，PCB微带和带状線(xiàn)设计也具有(yǒu)布線(xiàn)差异。 

微带路由：在外部层上路由的传输線(xiàn)被视為(wèi)微带。它们的建模取决于走線(xiàn)的厚度和宽度，以及基板的高度和電(diàn)介质类型。

微带差分(fēn)对路由：该技术用(yòng)于路由差分(fēn)对，其布置与常规微带路由相同，但由于差分(fēn)对具有(yǒu)额外的走線(xiàn)间距，因此其模型更為(wèi)复杂。

嵌入式微带路由： 此结构类似于常规微带，不同之处在于传输線(xiàn)上方还有(yǒu)另一个介電(diàn)层。 

共面微带布線(xiàn)：在共面微带布線(xiàn)中，信号走線(xiàn)平行于两个接地层布線(xiàn)。这些接地层為(wèi)信号提供了自然屏蔽，以防止来自板上其他(tā)走線(xiàn)的干扰。 

带状線(xiàn)布線(xiàn)： 在此技术中，走線(xiàn)在内部层上布線(xiàn)。与微带線(xiàn)一样，其建模基于走線(xiàn)的厚度和宽度，衬底的高度，電(diàn)介质类型以及嵌入在两个平面之间的走線(xiàn)的计算。

共面带状線(xiàn)布線(xiàn)：在共面带状線(xiàn)布線(xiàn)中，信号走線(xiàn)在内部平行于两个接地层布線(xiàn)。  

宽带耦合带状線(xiàn)布線(xiàn)：此技术还用(yòng)于布線(xiàn)内部层差分(fēn)对。

表面光洁度和铜粗糙度对导體(tǐ)损耗的影响

由于导體(tǐ)边缘的高電(diàn)流密度，表面光洁度会影响导體(tǐ)损耗。

PCB行业中使用(yòng)的大多(duō)数金属饰面的导電(diàn)性都比铜（金，镍，铝，黄铜，焊料，锡）低。较低的電(diàn)导率会导致较高的导體(tǐ)损耗，从而增加插入损耗。银是例外，不会增加铜导體(tǐ)的损耗。

镀金层非常薄（约0.05um），但在频率约為(wèi)1THz之前，趋肤深度不会接近该厚度。

化學(xué)镀镍浸金（ENIG）涂层被广泛使用(yòng)，因為(wèi)它可(kě)以保护镍免受氧化。

当趋肤深度接近或小(xiǎo)于铜表面粗糙度的尺寸时，表面粗糙度将显着增加导體(tǐ)损耗，从而最终减慢波的传播。

一定程度的铜粗糙度总是被施加以促进对介電(diàn)材料的粘附并改善层压板的剥离强度。

导體(tǐ)粗糙度的電(diàn)影响会随频率增加，增加電(diàn)容，增加群延迟，在较宽的带宽上降低特性阻抗，并明显增加Dk以匹配群延迟与频率特性。

微带中的欧姆损耗和介電(diàn)损耗限制了其功率处理(lǐ)能(néng)力。

由于导體(tǐ)和介電(diàn)损耗而引起的温度升高限制了微带線(xiàn)的平均功率，而带状导體(tǐ)和接地层之间的击穿则限制了峰值功率。

微带線(xiàn)和带状線(xiàn)设计的介電(diàn)常数和引导波長(cháng)

介電(diàn)常数（材料对真空的電(diàn)密度）和损耗角正切（材料的损耗）是专用(yòng)PCB迹線(xiàn)设计所需的两个关键参数。 

PCB材料的介電(diàn)常数大于1。介于真空和空气的介電(diàn)常数之间。因此，PCB上的引导波長(cháng)将比真空/空气中的波長(cháng)短，并且传播速度也将低于光速。 

如果介電(diàn)常数较高，则导向波長(cháng)将较短。这就是為(wèi)什么两条走線(xiàn)之间相同的長(cháng)度不匹配会导致更大的传播延迟的原因。考虑到这一事实，建议使用(yòng)介電(diàn)常数低的材料。

过渡到介電(diàn)常数更高的材料时，波長(cháng)的收缩。

对于带状線(xiàn)，引导的波長(cháng)為(wèi)： 

对于微带，其引导波長(cháng)為(wèi)： 

ϵeff取决于走線(xiàn)宽度（w），信号走線(xiàn)与接地层之间的高度（h）和ϵr。

对于相同的材料，信号在微带中的传播速度将比带状線(xiàn)更快。

相同長(cháng)度的微带和带状線(xiàn)的传播延迟比较。

准确设计带状線(xiàn)和微带传输線(xiàn)以实现适当的阻抗匹配和/或脉冲延迟时间非常重要。了解微带線(xiàn)和带状線(xiàn)布線(xiàn)的基本原理(lǐ)有(yǒu)助于PCB设计人员将这些本地電(diàn)路技术应用(yòng)于其设计中。