微带线离地间隙

2021-06-03

微带线离地间隙

大多数设计人员（以及基本的 PCB 布局指南）会指出，每个 PCB 层上未使用的区域应填充接地覆铜。

这里有一个明显的矛盾，在 PCB 设计社区中没有得到很好的讨论。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线边缘和铜点之间的间距。所以现在问题变成了，您需要多少微带离地间隙才能确保达到阻抗目标？

在这篇文章中，我想更仔细地研究这个问题。先前的解释集中在一系列可能的阻抗上，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微带线离地间隙，请继续阅读，您会找到适用于一系列可能走线宽度的好答案。我将展示的设计探索结果表明，同样的解释也适用于内层的带状线。

可控阻抗设计过程

在需要受控阻抗布线的电路板中，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

确定您将使用的堆叠以及您将路由的位置

选择布线方式（微带线、带状线、共面波导、单端与差分）

计算提供所需阻抗所需的走线宽度

全部布线完成后，现在的问题是是否适合用接地覆铜填充表层和内层的未使用区域。然而，这现在是地面倾泻是否离迹线太近的问题。下图显示了在高频 (5.8 GHz) 下运行的 RF 迹线示例，该示例随后将用作天线的馈线。

表层覆铜之间的射频微带布线和间距示例。

上面的例子非常重要，因为许多带有 RF 输出的组件的应用笔记将推荐这种类型的布线，可能沿着走线使用过孔栅栏。此处的目的是将 RF 走线与可能来自布局其他部分或某些外部源的 EMI 隔离。然而，这些相同的应用笔记通常会对 RF 走线和附近 GND 覆铜之间的间距给出过于保守的指导。那么，您可以将接地点与受控阻抗走线放置多近呢？

它是微带传输线还是共面波导？

目前，我想专注于单端微带线，因为它们在概念上很简单，但我将要写的所有内容都同样适用于带状线。同样的想法也适用于差分对路由。

如果上图中的表层接地与走线太近，那么我们得到的是共面波导，而不是微带线。理论上，当表层地面倾泻距离迹线无限远时，我们又回到了微带线。如果接地层离走线太近，由于走线边缘和地漏之间的寄生电容，您将改变微带线的阻抗。这就是为什么单端微带传输线和单端共面波导并不总是具有相同的走线宽度；共面波导通常需要较小的宽度才能与同一叠层上的微带线具有相同的阻抗。

微带线和附近 GND 之间的寄生电容增加了该传输线的总电容。

从上面，我们可以看到为什么共面波导迹线可能需要小于同一层和叠层上的微带线。寄生电容会增加走线每单位长度的总电容，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，我将使用这个想法通过查看作为离地间隙函数的 50 欧姆目标的阻抗偏差来测试接地浇注何时太靠近迹线。

测试“3W”规则

这里实际上有一个经验法则。这是“3W”规则，它规定走线和附近接地点之间的间距应至少为走线宽度的 3 倍。我们马上就会看到，这个指南过于保守，并没有考虑到多种因素。实际上，所需的最小间距取决于：

布线方式（微带线与带状线）

是否使用单端或差分对布线

基板的介电常数

走线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线宽度的情况，因此我将通过比较产生 50 欧姆阻抗微带所需的走线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与微带相同阻抗和迹线宽度的共面波导所需的最小间距。

结果

我首先生成了一组曲线，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线宽度、带状线宽度和共面宽度（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线宽度与 5 密耳的特定走线接地浇注间距进行比较。

该图中的走线宽度曲线都对应于同一基板上所有四种布线方式的 50 欧姆传输线。共面波导 (CPW) 布置与接地平面有 5 mil 的间隙。

从这里，我们可以看到一些特定的叠层，其中 CPW 和微带线/带状线将具有 50 欧姆的阻抗和相同的走线宽度，即使离地间隙非常接近 CPW 中的走线。

下图对此进行了进一步调查。它显示了产生具有相同走线宽度的 50 欧姆阻抗微带线和 50 欧姆共面波导所需的最小走线到地间距。还显示了带状线和内层上的共面波导的结果。

共面波导 (CPW) 中的最小迹线到地间距将在给定迹线宽度的微带线/带状线中产生相同的阻抗。

对上图的解释非常简单：这显示了当微带线/带状线具有相同的走线宽度时，CPW 中产生相同阻抗所需的最小走线到地间距。从这里，我们终于可以生成我们对 3W 规则的测试。只需将 y 轴数据除以 x 轴数据即可生成下图：

计算出的 370HR 层压板的净宽比。请注意，其他电介质将具有不同的介电常数，因此会产生不同的曲线。

很明显，3W 规则过于保守，除非在薄电介质中使用带状线布线。如果您愿意，请遵循它，因为它可以防止对您的阻抗造成过度干扰。但是，该距离可能无法提供您需要的隔离。这是一个可以使用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

从上面的结果可以很清楚地看出，用于确定微带线和附近接地点之间的地线间距的 3W 规则过于保守。请注意，上述介电厚度是您可能会在 4 层或更厚的叠层中找到的实用值，具体取决于用于叠层构造的层压板。我们还可以看到，对于到地平面的给定距离，微带线可以有更紧密的间隙，而带状线在较薄的电介质中需要更大的间隙。最终，当电介质变得足够厚时，这两条曲线将相互收敛。