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微帶線離地間隙
微帶線離地間隙
大多數(shù)設(shè)計(jì)人員（以及基本的 PCB 布局指南）會(huì)指出，每個(gè) PCB 層上未使用的區(qū)域應(yīng)填充接地覆銅。
這里有一個(gè)明顯的矛盾，在 PCB 設(shè)計(jì)社區(qū)中沒(méi)有得到很好的討論。如果你在微帶附近引入一些接地點(diǎn)，你現(xiàn)在已經(jīng)形成了一個(gè)共面的波導(dǎo)排列，現(xiàn)在互連的阻抗將取決于走線邊緣和銅點(diǎn)之間的間距。所以現(xiàn)在問(wèn)題變成了，您需要多少微帶離地間隙才能確保達(dá)到阻抗目標(biāo)？
在這篇文章中，我想更仔細(xì)地研究這個(gè)問(wèn)題。先前的解釋集中在一系列可能的阻抗上，而忽略了現(xiàn)代組件中的實(shí)際設(shè)計(jì)要求。如果您想知道確保受控阻抗所需的最小微帶線離地間隙，請(qǐng)繼續(xù)閱讀，您會(huì)找到適用于一系列可能走線寬度的好答案。我將展示的設(shè)計(jì)探索結(jié)果表明，同樣的解釋也適用于內(nèi)層的帶狀線。
可控阻抗設(shè)計(jì)過(guò)程
在需要受控阻抗布線的電路板中，您通常會(huì)在開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)看到特定網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)組的特定設(shè)計(jì)過(guò)程：
確定所考慮的特定網(wǎng)絡(luò)的阻抗目標(biāo)
確定您將使用的堆疊以及您將路由的位置
選擇布線方式（微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)、單端與差分）
計(jì)算提供所需阻抗所需的走線寬度
全部布線完成后，現(xiàn)在的問(wèn)題是是否適合用接地覆銅填充表層和內(nèi)層的未使用區(qū)域。然而，這現(xiàn)在是地面傾瀉是否離跡線太近的問(wèn)題。下圖顯示了在高頻 (5.8 GHz) 下運(yùn)行的 RF 跡線示例，該示例隨后將用作天線的饋線。
表層覆銅之間的射頻微帶布線和間距示例。
上面的例子非常重要，因?yàn)樵S多帶有 RF 輸出的組件的應(yīng)用筆記將推薦這種類型的布線，可能沿著走線使用過(guò)孔柵欄。此處的目的是將 RF 走線與可能來(lái)自布局其他部分或某些外部源的 EMI 隔離。然而，這些相同的應(yīng)用筆記通常會(huì)對(duì) RF 走線和附近 GND 覆銅之間的間距給出過(guò)于保守的指導(dǎo)。那么，您可以將接地點(diǎn)與受控阻抗走線放置多近呢？
它是微帶傳輸線還是共面波導(dǎo)？
目前，我想專注于單端微帶線，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟拍钌虾芎?jiǎn)單，但我將要寫(xiě)的所有內(nèi)容都同樣適用于帶狀線。同樣的想法也適用于差分對(duì)路由。
如果上圖中的表層接地與走線太近，那么我們得到的是共面波導(dǎo)，而不是微帶線。理論上，當(dāng)表層地面傾瀉距離跡線無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，我們又回到了微帶線。如果接地層離走線太近，由于走線邊緣和地漏之間的寄生電容，您將改變微帶線的阻抗。這就是為什么單端微帶傳輸線和單端共面波導(dǎo)并不總是具有相同的走線寬度；共面波導(dǎo)通常需要較小的寬度才能與同一疊層上的微帶線具有相同的阻抗。
微帶線和附近 GND 之間的寄生電容增加了該傳輸線的總電容。
從上面，我們可以看到為什么共面波導(dǎo)跡線可能需要小于同一層和疊層上的微帶線。寄生電容會(huì)增加走線每單位長(zhǎng)度的總電容，因此需要增加 L 進(jìn)行補(bǔ)償，從而使阻抗恢復(fù)到 50 歐姆。在下一節(jié)中，我將使用這個(gè)想法通過(guò)查看作為離地間隙函數(shù)的 50 歐姆目標(biāo)的阻抗偏差來(lái)測(cè)試接地澆注何時(shí)太靠近跡線。
測(cè)試“3W”規(guī)則
這里實(shí)際上有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則。這是“3W”規(guī)則，它規(guī)定走線和附近接地點(diǎn)之間的間距應(yīng)至少為走線寬度的 3 倍。我們馬上就會(huì)看到，這個(gè)指南過(guò)于保守，并沒(méi)有考慮到多種因素。實(shí)際上，所需的最小間距取決于：
布線方式（微帶線與帶狀線）
是否使用單端或差分對(duì)布線
基板的介電常數(shù)
走線與其下一層的地平面之間的距離
由于我們正在考慮需要確定受控阻抗所需的走線寬度的情況，因此我將通過(guò)比較產(chǎn)生 50 歐姆阻抗微帶所需的走線寬度與相同的共面波導(dǎo)來(lái)測(cè)試 3W 規(guī)則阻抗。我將對(duì)不同的層厚度執(zhí)行此操作，以便我們可以看到此參數(shù)如何影響所需的離地間隙。此處的目標(biāo)是確定生產(chǎn)具有與微帶相同阻抗和跡線寬度的共面波導(dǎo)所需的最小間距。
結(jié)果
我首先生成了一組曲線，顯示了在 370HR Isola 層壓板（Dk ~ 4.1，~0.02損耗角正切@ 1 GHz）上產(chǎn)生 50 歐姆阻抗所需的微帶線寬度、帶狀線寬度和共面寬度（內(nèi)部和表面層）。這些計(jì)算是在 Simbeor 中進(jìn)行的。下圖顯示了這些結(jié)果，并允許將每種類型的走線寬度與 5 密耳的特定走線接地澆注間距進(jìn)行比較。
該圖中的走線寬度曲線都對(duì)應(yīng)于同一基板上所有四種布線方式的 50 歐姆傳輸線。共面波導(dǎo) (CPW) 布置與接地平面有 5 mil 的間隙。
從這里，我們可以看到一些特定的疊層，其中 CPW 和微帶線/帶狀線將具有 50 歐姆的阻抗和相同的走線寬度，即使離地間隙非常接近 CPW 中的走線。
下圖對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步調(diào)查。它顯示了產(chǎn)生具有相同走線寬度的 50 歐姆阻抗微帶線和 50 歐姆共面波導(dǎo)所需的最小走線到地間距。還顯示了帶狀線和內(nèi)層上的共面波導(dǎo)的結(jié)果。
共面波導(dǎo) (CPW) 中的最小跡線到地間距將在給定跡線寬度的微帶線/帶狀線中產(chǎn)生相同的阻抗。
對(duì)上圖的解釋非常簡(jiǎn)單：這顯示了當(dāng)微帶線/帶狀線具有相同的走線寬度時(shí)，CPW 中產(chǎn)生相同阻抗所需的最小走線到地間距。從這里，我們終于可以生成我們對(duì) 3W 規(guī)則的測(cè)試。只需將 y 軸數(shù)據(jù)除以 x 軸數(shù)據(jù)即可生成下圖：
計(jì)算出的 370HR 層壓板的凈寬比。請(qǐng)注意，其他電介質(zhì)將具有不同的介電常數(shù)，因此會(huì)產(chǎn)生不同的曲線。
很明顯，3W 規(guī)則過(guò)于保守，除非在薄電介質(zhì)中使用帶狀線布線。如果您愿意，請(qǐng)遵循它，因?yàn)樗梢苑乐箤?duì)您的阻抗造成過(guò)度干擾。但是，該距離可能無(wú)法提供您需要的隔離。這是一個(gè)可以使用場(chǎng)解算器通過(guò)查看不同互連之間的耦合網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和串?dāng)_系數(shù)來(lái)測(cè)試的領(lǐng)域。
概括
從上面的結(jié)果可以很清楚地看出，用于確定微帶線和附近接地點(diǎn)之間的地線間距的 3W 規(guī)則過(guò)于保守。請(qǐng)注意，上述介電厚度是您可能會(huì)在 4 層或更厚的疊層中找到的實(shí)用值，具體取決于用于疊層構(gòu)造的層壓板。我們還可以看到，對(duì)于到地平面的給定距離，微帶線可以有更緊密的間隙，而帶狀線在較薄的電介質(zhì)中需要更大的間隙。最終，當(dāng)電介質(zhì)變得足夠厚時(shí)，這兩條曲線將相互收斂。