PCB中的微带线和带状线有什么区别？

2021-02-02

PCB通常使用两种类型的传输线：微带线和带状线。每条传输线均由信号迹线和参考平面组成。根据传输线的几何形状，必须将信号走线和参考平面假定为一个单位。永远不要划分它们，因为微带和带状线具有定义其属性的独特的EM场分布。
通过将PCB走线阻抗与信号源匹配，可以避免PCB传输线中的信号反射。但是，了解哪种阻抗匹配技术在设计中也很重要。我必须告诉您，传输线技术都不是完美的。涉及传输线的PCB设计方程只是一个近似值，根据规格精确到不同程度。

微带线和带状线传输线的电磁场分布可以通过选择PCB材料（介电常数和损耗角正切）并调整引导波长，传播速度和特性阻抗来改变。这些参数最终会改变EM场分布，从而改变传输线的属性。

什么是PCB中的微带线？

微带线由电介质基板上的带状导体组成，并由接地层支撑。

微带线是一条平面传输线，主要用于RF和微波电路。它在PCB表面布线，并被两个环境包围：PCB材料和空气。微带线由电介质基板上的带状导体（焊盘）组成，该导体由接地层支撑，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。

微带线中的传播方式是什么？

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

微带中传播的电磁场。

微带中的有效介电常数（ϵ eff）是多少？

存储在微带装置中的电能不仅存在于空气中，还存在于空气中，因此，传输线上信号的有效介电常数将介于空气和电介质之间。该有效介电常数决定了微带传输线上电磁波的相速度。

微带线是分散的。随着频率增加，有效介电常数也朝着基板增加，导致相速度降低。有效介电常数认为大部分电场都保留在基板内，但是总能量的一部分存在于板上方的空气中。

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

图片来源：回顾微带线的基础知识。

挑战在于，导体带不能浸入单个电介质中

与微带参数计算有关的具有挑战性的问题是，导体带没有浸入单一的介电材料中。一侧是电介质，而另一侧通常是空气。有效介电常数的概念是专门为解决这一难题而开发的。所述 εeff 表示板材料（相对介电常数之间的一些中间值率εr）和空气（相当于1）。因此，这可以用于计算微带参数。

微带线的特性阻抗

对于给定的PCB层压板和铜重量，除了信号走线（W）的宽度以外，下面给出的公式可用于设计PCB走线以匹配电路所需的阻抗。对于宽度为W且厚度为T的信号迹线，其介电常数为ϵr的PCB电介质与地（或电源）平面之间的距离为H时 ，特征阻抗（Zo）为：

微带线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：所有尺寸均以密耳为单位。

微带线的特性电容

其中T是电路板的厚度，H是走线之间的间距。

微带线的延迟常数

对于给定的传输线几何形状，延迟常数仅是介电常数的函数，而不是迹线尺寸的函数。对于给定的PCB层压板和介电常数，各种阻抗线的传播延迟常数是固定的。

微带结构的优点

微带线是一种“开放”的线路结构。它使连接组件变得非常容易。

它可以以高密度（多通道）封装在一起，并且串扰最小，从而使其适用于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。

它具有更快的传播时间。

该技术同时提供了良好的散热和机械支持。

微带线的损耗

导线的有限电导率

辐射效应（取决于介电常数，基板厚度，电路几何形状和频率）

铁氧体表示与磁性基材有关的磁损耗

基板的有限电阻率和倾倒现象

注意：尽管微带线具有低成本和紧凑尺寸的优势，但它比同轴线，波导，CPW和带状线的损耗更大。

如何减少微带线的损耗？

将基板悬空悬空以减少微带中的损耗。

可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电磁场。微带的插入损耗降低了，因为与标准电路板基板相比，空气基本上没有介电损耗。另外，由于较低的有效介电常数，微带线的宽度增加。较宽的线具有较低的电流密度，因此具有较低的欧姆损耗。微带悬挂技术仅在高达几个GHz的频率下使用。

注意： 较小的宽度总是导致更多的损耗。

多层微带线

微带几何结构用于在低频下传导电磁波，但在60GHz以上，由于损耗，其应用受到限制。这就是不能在THz频率下使用它们的原因。

在多层微带中使用不同的基板层。

 可以在衬底层的不同配置上设计多层微带线。它可以是单层，双层或多层材料。随着对SoC要求的需求，多层基板的使用在高频下已经增加。

多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

适用于天线设计，可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中的带状线？

带状线布设在PCB的内层，这就是为什么它仅被一种环境（即PCB材料）包围的原因。此技术最好用于多层PCB设计中，信号走线由上方和下方的接地层支持。 

在带状线上，高频信号走线的电流返回路径位于接地（电源）平面上信号走线的上方和下方。由于这种布置，高频信号保留在PCB内，从而减少了发射，还可以屏蔽传入的杂散信号。

带状线的特征阻抗

带状线的特征阻抗取决于介电常数以及带状中心导体和接地层的横截面几何形状。带状线的特性阻抗随着带状宽度W e的增加而减小。

注意： b是两个平面之间的间距，W e是有效带材宽度。

带状线的特征电容

带状线的延迟常数

带状线中给定长度的传播延迟（tpd）仅是电介质εr的函数。

带状线设计注意事项

带状线上的电磁场分布。

带状线传输线由三层导体组成，其中内部导体称为“夹层导体”，而连接在信号地上的其他两层称为接地导体。夹层导体嵌入具有介电常数（Er）的均质各向同性电介质中。

带状线中基本TEM模式的电“ E”和磁“ H”场线在上面以定义的横截面和时间定义。

带状线的外部导体之间的区域仅包含一个介质。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，内部导体处于等电位状态（每个点都处于相同电位）。

带状线布置的优点

它为信号走线提供屏蔽和保护。

低阻抗，因此发射更少，并且串扰

在50MHz以上可以看到改善

带状线布置具有更好的EMI特性。

带状线布置的局限性

由于带状线包含嵌入式信号迹线，因此很难调试此类迹线。换句话说，PCB原型设计和故障排除将很困难。

解耦困难

低阻抗，可正确匹配

带状线的损失是什么？

导体的有限导电性

磁共振

电介质的有限电阻率和倾倒现象

设计具有带状线几何形状的多层板

多层电路板通常需要带状线，因为它可以在各层之间布线，但带状线接地需要引起注意。如果顶部和底部接地平面的电位不同，则平行板模式可以在它们之间传播。如果被激发，该模式将不会被限制在带状区域附近，而将能够传播到存在两个接地平面的任何地方。

带状线比微带线对金属外壳的侧向接地面更不敏感，因为电磁场在中心导体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电位不同，会发生什么？

带状线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区域，而是会在两个接地平面存在的任何地方传播。平行板模式可以通过以下方式抑制：

使用金属化的通孔连接顶部和底部接地层

紧密放置通孔（通孔之间的间距应为电介质中波长的1/8，以防止接地层之间的电势差。）

如果过孔离带状线边缘太近，则它们可能会干扰特征阻抗。因此，通孔间距应至少为3条带宽度。

因此，可以在不使用带状线布置的情况下设计多层PCB吗？

嵌入式走线可以由双层两层PCB设计代替，即总共四层铜层。

可以使用嵌入式走线设计多层PCB。

布线在顶部PCB表面的走线与电源平面形成微带，而底部走线与接地平面形成微带。 

在此，可以方便地访问两个外层的信号迹线，以进行测量和故障排除。但是，这种布置没有利用平面的屏蔽特性，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嵌入的迹线，并且确实充分利用了平面。可以根据对您重要的信息有选择地进行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。

使用微带线和带状线的布线技术

除了制造和介电差异外，PCB微带和带状线设计也具有布线差异。 

微带路由：在外部层上路由的传输线被视为微带。它们的建模取决于走线的厚度和宽度，以及基板的高度和电介质类型。

微带差分对路由：该技术用于路由差分对，其布置与常规微带路由相同，但由于差分对具有额外的走线间距，因此其模型更为复杂。

嵌入式微带路由： 此结构类似于常规微带，不同之处在于传输线上方还有另一个介电层。 

共面微带布线：在共面微带布线中，信号走线平行于两个接地层布线。这些接地层为信号提供了自然屏蔽，以防止来自板上其他走线的干扰。 

带状线布线： 在此技术中，走线在内部层上布线。与微带线一样，其建模基于走线的厚度和宽度，衬底的高度，电介质类型以及嵌入在两个平面之间的走线的计算。

共面带状线布线：在共面带状线布线中，信号走线在内部平行于两个接地层布线。  

宽带耦合带状线布线：此技术还用于布线内部层差分对。

表面光洁度和铜粗糙度对导体损耗的影响

由于导体边缘的高电流密度，表面光洁度会影响导体损耗。

PCB行业中使用的大多数金属饰面的导电性都比铜（金，镍，铝，黄铜，焊料，锡）低。较低的电导率会导致较高的导体损耗，从而增加插入损耗。银是例外，不会增加铜导体的损耗。

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

化学镀镍浸金（ENIG）涂层被广泛使用，因为它可以保护镍免受氧化。

当趋肤深度接近或小于铜表面粗糙度的尺寸时，表面粗糙度将显着增加导体损耗，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电材料的粘附并改善层压板的剥离强度。

导体粗糙度的电影响会随频率增加，增加电容，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电损耗限制了其功率处理能力。

由于导体和介电损耗而引起的温度升高限制了微带线的平均功率，而带状导体和接地层之间的击穿则限制了峰值功率。

微带线和带状线设计的介电常数和引导波长

介电常数（材料对真空的电密度）和损耗角正切（材料的损耗）是专用PCB迹线设计所需的两个关键参数。 

PCB材料的介电常数大于1。介于真空和空气的介电常数之间。因此，PCB上的引导波长将比真空/空气中的波长短，并且传播速度也将低于光速。 

如果介电常数较高，则导向波长将较短。这就是为什么两条走线之间相同的长度不匹配会导致更大的传播延迟的原因。考虑到这一事实，建议使用介电常数低的材料。

过渡到介电常数更高的材料时，波长的收缩。

对于带状线，引导的波长为： 

对于微带，其引导波长为： 

ϵeff取决于走线宽度（w），信号走线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线更快。

相同长度的微带和带状线的传播延迟比较。

准确设计带状线和微带传输线以实现适当的阻抗匹配和/或脉冲延迟时间非常重要。了解微带线和带状线布线的基本原理有助于PCB设计人员将这些本地电路技术应用于其设计中。