Stripline vs.Microstrip: entender sus diferencias y sus directrices de enrutamiento de PCB¶

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La primera vez que escuché una presentación sobre técnicas de diseño de alta velocidad, no me imaginé de qué se podría hablar.

Como esto fue al principio de mi carrera como diseñador en la asignatura de TCI, estoy seguro de que fue mi inexperiencia lo que causó la confusión.

Todo el concepto de enrutamiento de stripline y microstrip no tenía ningún sentido para mí y pensé que mi profesor estaba hablando de un tipo de PCB completamente diferente con el que yo no estaba familiarizado.

Afortunadamente, mi confusión se aclaró rápidamente cuando me enteré de que no es la PCB en sí misma la que se considera para ser *stripline* *microstrip. En cambio, stripline* y microstrip son métodos diferentes de enrutamiento de líneas de transmisión de alta velocidad en una PCB.

Comprender stripline y microstrip puede ser difícil. Así que si eres nuevo en el diseño de PCB o si está buscando una actualización sobre el tema, esta revisión básica es para ti.

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Stripline vs. Microstrip, ¿qué son?¶

Stripline y microstrip son métodos de enrutamiento de líneas de transmisión de alta velocidad en su PCB.

Stripline es una conexión de línea de transmisión rodeada de material dieléctrico, suspendida entre dos planos de tierra en las capas internas de una PCB.

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El enrutamiento de microstrip es un trazado de línea de transmisión sobre una capa externa de la tarjeta. Debido a esto, está separado de un solo plano de tierra por material dieléctrico.

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Con la línea de transmisión en la capa superficial de la tarjeta, el enrutamiento de microcintas o microstrip tiene mejores características de señal que el stripline.

La fabricación de PCB también es menos costosa con las microstrip, ya que la estructura de capas de un plano y una capa de señal hace que el proceso de fabricación sea más sencillo.

Stripline puede ser más compleja de fabricar porque requiere múltiples capas para soportar el trazado incrustado entre dos planos de tierra. Sin embargo, el ancho de una pista de impedancia controlada en stripline es menor que el de una pista de impedancia en una microstrip del mismo valor. Esto se debe al segundo plano de tierra. Estos anchos de pista más pequeños permiten mayores densidades de circuito lo que, a su vez, permite un diseño más compacto. El trazado en las capas internas en stripline también reduce la EMI y proporciona una mejor protección contra riesgos.

Stripline y microstrip tienen diferentes beneficios. La decisión de cuál es el mejor método debe basarse en las necesidades del diseño. En un diseño denso de alta velocidad, a menudo se utiliza una mezcla de ambos métodos en una tarjeta multicapa para lograr los objetivos de diseño.

Además, es extremadamente importante mantener la impedancia controlada a través del diseño cuando se encaminan líneas de transmisión en un diseño de alta velocidad. La capa de la PCB sobre la que se enruta la línea de transmisión, las características físicas de la pista de la línea de transmisión y las características del dieléctrico deben calcularse conjuntamente para obtener los valores de impedancia correctos para el circuito. Hay muchas calculadoras de impedancia diferentes con diferentes modelos de stripline y microstrip que están disponibles para hacer estos cálculos.

In [1]:
from IPython.display import IFrame
IFrame("./pdf/MT-094.pdf", width=900, height=600)
Out[1]:

Existen además otras líneas de transmisión para PCBs como son las líneas coplanares.

image.png

Ejemplos de enrutamiento de microstrip y stripline¶

Los siguientes son algunos ejemplos de técnicas de enrutamiento de stripline y microstrip, y cómo algunas de sus características afectan sus cálculos de impedancia:

  • Microstrip. Las líneas de transmisión que están enrutadas en las capas externas se consideran microcintas. El modelo para estos se basa en el espesor y la anchura de las pistas, así como en la altura del sustrato y el tipo dieléctrico.
  • Microstrip acoplada al borde. Esta técnica se utiliza para enrutar pares diferenciales. Es la misma estructura que el enrutamiento microstrip regular, pero el modelo es más complejo con la adición del espaciamiento de pistas para el par diferencial.
  • Microcinta embebida. Esta estructura es similar a la de una microcinta normal, excepto que hay otra capa de dieléctrico por encima de la línea de transmisión. La máscara de soldadura puede considerarse como una capa de dieléctrico y debe tenerse en cuenta en el cálculo de la impedancia.
  • Stripline simétrica. Las líneas de transmisión que se encaminan por capas internas (entre dos planos de tierra) se consideran stripline simétrica, o simplemente stripline. Al igual que la microcinta, su modelo se basa en el grosor y la anchura de la pista, así como en la altura del sustrato y el tipo dieléctrico, con el cálculo ajustado para la pista que se incrusta entre los dos planos.
  • Stripline asimétrica. Aunque su estructura es similar a la del modelo de stripline simétrica, este modelo cuenta para la pista de la línea de transmisión que no está equilibrada con precisión entre los dos planos.
  • Stripline con acoplamiento de bordes. Esta técnica se utiliza para enrutar pares diferenciales en capas internas. Es la misma estructura que el stripline regular, pero el modelo es más complejo con la adición del espaciado de pistas para el par diferencial.
  • Stripline con acoplamiento lateral ancho. Esta técnica también se utiliza para enrutar pares diferenciales en capas internas, pero en vez de lado a lado, los pares se apilan uno encima del otro. El modelo es similar al de stripline acoplada por el borde.

Espero que este tutorial sobre stripline y** microstrip** haya sido útil para aclarar algunas de las confusiones que rodean estos conceptos. Entender cuáles son los diferentes métodos de stripline y microstrip le ayudará en última instancia a diseñar una mejor tarjeta de alta velocidad.

DISEÑO de PISTA MICROSTRIP¶

Vamos a diseñar la anchura de esta pista que aparece rodeada de color naranja en esta PCB de 13 cm (2.4 GHz)

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PCB de un amplificador a 2.4 GHz

Parámetros de Interés del problema para nuestra PCB:¶

  • H: espesor del sustrato
  • W: anchura de la pista microstrip
  • f: frecuencia en GHz
  • C: capacidad de la línea
  • ϵᵣ: permitividad relativa
  • ϵₑ: constante dieléctrica efectiva
  • Zₒ: impedancia característica (Ω)
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Parámetros físicos para una línea de transmisión microstrip.

Calcular una pista usando las Ecuaciones de Wheeler:¶

Enlace para acceder a la ecuación de Wheeler

  • H: 60 mil

  • W: anchura de la pista microstrip (mm)

  • f: 2.4 GHz

  • C: capacidad de la línea ( pF/m)

  • ϵᵣ= 4.7

  • Zₒ: 50 (Ω)

    Como ayuda se ofrece esta SOLUCIÓN si la frecuencia fuera 5.6 GHz: W=2.956 mm, C= 138.339 pF/m

Para calcular la anchura de la pista microstrip, he usado la fórmula de la impedancia de Wheeler de la que he despejado W/h y de forma iterativa he conseguido la anchura de la pista. Ecuaciones usadas:

Para anchos grandes (W/h > 3.3):

$$ Z_L(W, h, \varepsilon_r) = \frac{Z_{F0}}{2\sqrt{\varepsilon_r}} \left( \frac{W}{2h} + \frac{1}{\pi} \ln 4 + \frac{\varepsilon_r + 1}{2\pi \varepsilon_r} \ln \left( \frac{\pi e}{2} \left( \frac{W}{2h} + 0.94 \right) \right) + \frac{\varepsilon_r - 1}{2\pi \varepsilon_r} \ln \frac{e \pi^2}{16} \right) $$

Para anchos pequeños (W/h < 3.3):

$$ Z_L(W, h, \varepsilon_r) = \frac{Z_{F0}}{\pi \sqrt{2(\varepsilon_r + 1)}} \left( \ln \left( \frac{4h}{W} + \sqrt{\left( \frac{4h}{W} \right)^2 + 2} \right) - \frac{1}{2} - \frac{\varepsilon_r - 1}{\varepsilon_r + 1} \left( \ln \frac{\pi}{2} + \frac{1}{\varepsilon_r} \ln \frac{4}{\pi} \right) \right) $$

Para calcular la capacidad de la línea he usado las siguientes ecuaciones:

Para W/h<1:

$$ C = \frac{\epsilon_r l}{60 v_0 \ln \left( \frac{8h}{w} + \frac{w}{4h} \right)} $$

Para W/h>1:

$$ C = \frac{\epsilon_r l \left( \frac{w}{h} + 1.393 + 0.667 \ln \left( \frac{w}{h} + 1.444 \right) \right)}{120 \pi v_0} $$

Usando esto he obtenido: W: 2.7767 mm y C: 166.4129 pF/m

Calcular una pista usando las Ecuaciones de Ownes:¶

Enlace para acceder a la ecuación de Ownes

  • H: 60 mil
  • W: anchura de la pista microstrip (mm) Incógnita
  • f: 2.4 GHz
  • ϵₑ: constante dieléctrica efectiva Incógnita, la ϵₑ varía con la frecuencia
  • ϵᵣ= 4.7
  • Zₒ: 50 (Ω)
  • Velocidad de la onda en ese medio (m/s)

En este caso he usado las siguientes ecuaciones:

$$ \frac{W}{H} = \left( \exp \left( \frac{H'}{8} \right) - \frac{1}{4 \exp(H')} \right)^{-1} $$

donde H'

$$ H' = \frac{Z_0 \sqrt{2(\varepsilon_r + 1)}}{119.9} + \frac{1}{2} \left( \frac{\varepsilon_r - 1}{\varepsilon_r + 1} \right) \left( \ln \frac{\pi}{2} + \frac{1}{\varepsilon_r} \ln \frac{4}{\pi} \right) $$

Y para la velocidad de propagación:

$$ v_p = \frac{c}{\sqrt{\varepsilon_{\text{eff}}}} $$

donde e_{eff} es:

$$ \varepsilon_{\text{eff}} = \frac{\varepsilon_r + 1}{2} + \frac{\varepsilon_r - 1}{2} \cdot \frac{1}{\sqrt{1 + 12 \frac{h}{W}}} $$

Obteniendo como resultado: V_prop: 159871961 m/s y W: 2.7727 mm

**Como ayuda se ofrece esta SOLUCIÓN si la frecuencia fuera 5.6 GHz**:  W=2.964 mm, ϵₑ= 3.253, Vel= 1.662E5 m/s

Calcular la impedancia de la pista usando la anchura obtenida de las Ecuaciones de Wheeler y Ownes usando la Ec. de Hammerstad & Jensen:¶

Enlace para acceder a la ecuación de Hammerstad & Jensen

  • H: 60 mil
  • W: anchura de la pista microstrip (mm)
  • f: 2.4 GHz
  • ϵₑ: constante dieléctrica efectiva
  • ϵᵣ= 4.7
  • Zₒ: 50 (Ω)
  • Velocidad de la onda en ese medio (m/s)

Para este caso he usado:

Para ( z_{01}(u) ):

$$ z_{01}(u) = \frac{\eta_0}{2\pi} \ln \left( \frac{f(u)}{u} + \sqrt{1 + \left( \frac{2}{u} \right)^2} \right) $$

donde ( f(u) ):

$$ f(u) = 6 + (2\pi - 6) \exp \left( - \left( \frac{30.666}{u} \right)^{0.7528} \right) $$

Con ( z_{01}(u) ) se saca Z_{0}:

$$ z_0(u, t, \epsilon_r) = \frac{z_{01}(u_r)}{\sqrt{\epsilon_e(u_r \epsilon_r)}} $$

Para la \epsilon_{eff}:

$$ \varepsilon_e (u, \varepsilon_r) = \frac{\varepsilon_r + 1}{2} + \frac{\varepsilon_r - 1}{2} \left( \frac{1 + \frac{10}{u} - a(u)}{1 + \frac{10}{u}} \right) b(\varepsilon_r) $$

donde a(u):

$$ a(u) = 1 + \frac{1}{49} \ln \left( \frac{u^4 + (u/52)^2}{u^4 + 0.432} \right) + \frac{1}{18.7} \ln \left[ 1 + \left( \frac{u}{18.1} \right)^3 \right] $$

y b:

$$ b(\varepsilon_r) = 0.564 \left( \frac{\varepsilon_r - 0.9}{\varepsilon_r + 3} \right) + 0.053 $$

Con esto he obtenido:

Para Wheeler: Impedancia característica Z0: 50.00 ohmios y Epsilon efectiva: 3.3686

Para Owens: Impedancia característica Z0: 51.13 ohmios y Epsilon efectiva: 3.3687

**Como ayuda se ofrece esta SOLUCIÓN si la frecuencia fuera 5.6 GHz**:  Zₒ:(Wheeler)=50.15 (Ω), ϵₑ= 3.267

**Como ayuda se ofrece esta SOLUCIÓN si la frecuencia fuera 5.6 GHz**:  Zₒ:(Ownes)=50.069 (Ω),  ϵₑ= 3.268

Ecuaciones disponibles en este enlace¶

Enlace Ecuaciones Microstrip

In [3]:
from IPython.display import IFrame
IFrame('http://qucs.sourceforge.net/tech/node75.html', width=900, height=350)
Out[3]:
In [ ]: