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抗干扰性更强的多层板带状线电路设计探讨

作者:angelazhang时间:2015-10-16

高频电路设计师在选择传输线时会考虑带状线,尤其是在设计对微弱电磁辐射敏感的电路时。带状线可看作置于两个地平面间的扁导体,导体和地平面间用电介质材料隔离开。这种结构相对于微带传输线电路有较少的电磁辐射,相对于微带在相邻电路传输线间有较好的隔离度,但是这种掩埋式结构相对于微带线更难制作和维修 。尽管有这些挑战,带状线的高性能潜力激励着设计者们使用非常紧凑的高频多层带状线结构。印刷电路板材的正确选择在单层或多层带状线电路的成功实现中占据重要地位。


带状线电路可用多种形式实现,如平衡(上下介质厚度一致),偏置(上下介质厚度不一致),悬置带状线。电路板材的特性,如它的介电常数(Dk),对不同种类带状线的性能表现很重要。带状线电路甚至还可以在其导体两面用不同电介质材料制作(它们具有不同的Dk值),增加了设计的灵活性。


带状线中的地面和信号线通常是由电镀过孔馈电的而镀层过孔的使用也使过孔本身成为多层电路结构间的信号通路的一部分。在中心导体、上层地导体的下表面和下层地导体的上表面集中了较强的电磁场,重要的是要使顶部、底部地平面的电压在相应位置一致,以防在两个地平面间传输任何无用的平板模式。理想情况下,高频电磁信号完全包含在带状线PCB中,无漏波或辐射,具有优良的信号屏蔽性能。


相比于微带,带状线可认为是横电磁波介质,即准TEM介质。大多数带状线设计的目标是50Ω特性阻抗,这是由导电带的宽度、电路基板的厚度和基板材料的介电常数决定的。在电路介质材料厚度给定的情况下,为了得到50Ω特性阻抗,带状线电路会使用一个比微带电路窄些的信号线,而且介质材料的损耗要大于微带,微带电路在电路上方使用无耗空气从而进行信号传播。


在为带状线选择电路材料方面,光滑的铜导线面对最小化损耗很重要,而在评估PCB板损耗特性时,很容易忽略铜导线的特性。具有粗糙表面的铜导线相对于具有光滑表面的铜导线有更大的损耗,因此用于低耗电路的电路材料应包含光滑铜导线表面。由于带状线有四个铜基板分界面,因此铜表面的粗糙度在不同的分界面处有可能不一致,导致整个电路板导体损耗特性也不同。特别是在薄带状线电路(地面间相距20mil或更少),铜导体表面粗糙度是影响电路插入损耗的一个主要因素。


带状线电路制造商在做电路时可能会非常注意使用光滑的铜箔基板,但是半固化片一侧的铜箔表面却粗糙很多。较粗糙的表面有助于增强粘结强度,从而得到性能可靠的多层电路结构。然而,这种粗糙表面的使用也牺牲了一些电气性能,这些性能可能通过使用最光滑表面的铜得到。


在偏置带状线中,信号不在电路板横截面的几何中心上,铜层表面粗糙度的这种差异会影响偏置带状线电路组件的性能。在这种组件中, 最接近信号线的地铜表面的粗糙度会对电路的电性能影响最大。如果这个铜层表面较粗糙,它会影响电路的损耗。即使电路是基于极其光滑的铜层制作,若更靠近信号层有另一个相对粗糙的铜层表面,则其可以抹杀掉该电路中光滑铜表面产生的任何较好效果。


通常认为带状线电路本质上为非色散的,但其实并非总是如此。具有Dk值的粘结层与其余带状线结构不同,包含这种粘结层的电路可能具有色散特性。为实现非色散的电路结构,整个带状线电路的Dk值应相当接近。以RT/duroid® 6002或 RO3003™ 电路层压板为例,他们为Dk值密切匹配的2929 粘结材料,均是出自罗杰斯公司。这种整个带状线电路结构中Dk值的一致性是基于这些材料将使色散最小化。


带状线电路的变化包括偏置带状线和悬置带线。通过粘结两个不等厚度的带状线基板可形成偏置带状线。悬置带线的介质材料的一部分是空气,支持纯TEM模式传播。它的形式通常是一个悬置在封闭金属结构的电路。为实现低耗, 悬置带线使用相同形状的导电电路图形印在电路板正反表面,由电镀过孔连接。然后整个装置就被包在一个封闭的金属外壳内,装置上下置空气腔作为空气介质,金属外壳顶部和底部为地平面。悬置带线电路能够得到宽带范围的低损耗和最小寄生辐射,但组装也很复杂且昂贵。


各种形式的带状线的传播速度都比微带慢。即在同一基板材料上通过一个微带电路的传播时间只是通过类似的带状线电路所需传播时间的一小部分。这是由于微带使用空气作为介质,而带状线的传播特性完全基于包围信号路径的介质材料。在这两种情况下由于介电材料的Dk值都增加,传播延迟也都会增加。


各种形式的带状线表现了很多设计思想的折衷,包括装配、可见性、掩埋电路线测试的难度与最小信号泄漏的优点、外部干扰信号的最轻微影响的优点相比较。在同样电路材料上制造的带状线可能会比微带电路有稍大的损耗,但带状线电路受外部干扰信号的影响也较小, 并表现出更少的辐射。



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