Microstrip與Stripline該如何選?看這裡就對啦!

By | 10 3 月, 2018

 

一般而言,印刷電路板上的傳輸線分為兩種,微帶線(Microstrip)與帶狀線(Stripline),筆者已在RF、數位/類比設計必知:傳輸線的種類文中介紹過這兩種線路的基本特性,其中有提到在電氣特性上,Stripline不如Microstrip。此篇文章將再進一步探討此兩種線路在高頻特性的差異。

 
 
電磁場型
 
首先我們先來分析兩者的場型差異。左圖是微帶線,右圖是帶狀線
Microstrip是一層訊號及一層地平面構成的結構,大部份電場從訊號線垂直向地平面,少部份由邊緣洩漏至地(Fringe field)。磁場則在訊號導體四周構成迴路。
Stripline結構比Microstrip結構還多了一個金屬平面,大部份的電場夾帶少許的邊緣場分成二路垂直向上下平面;磁場依舊以迴路形式環繞在訊號導體四周。



 線路設計

 
為了探討兩者的差異,筆者各設計了50歐姆的MicrostripStripline一組,線長固定為2cm。可以發現Stripline的線寬比較細,原因可以參考三分鐘學會萃取通道特性阻抗一文,因為Stripline的等效介電常數高出Microstrip許多,為了平衡電容性,線寬自然就會縮小。
 
電磁模擬
 
Return loss可以發現,MicrosripStripline都可以控制在-20dB以下。(-20dB即表示有90%的電壓進入通道,一般認為已相當良好)畢竟通道只有一條50歐姆阻抗匹配的傳輸線,並沒有任何阻抗不連續點,-20dB應該很容易達到。不過從Insertion loss的角度則可以發現Stripline的損耗略大於Microstrip,原因出在Stripline被完全包覆在介電材料中,受到介電材料的損耗較大所導致。
 

 

LC的角度來看,可以發現Stripline的電感與電容都比Microstrip還要來的大,電感比較大是因為Stripline要控制在50歐姆,線寬會較細;電容會較大則是等效介電常數變大,整合起來其實Stripline損耗比較大是很合理的事情。
(萃取電感/電容請看原來從S參數萃取RLC這麼簡單!)
 
Crosstalk
 
那串音干擾的部分呢?
筆者模擬兩條線間距3倍線寬的情況,發現return loss一樣可以控制在-20dB以下,insertion loss則大部分頻段都可以得到與單條線模擬類似的結果。(有一部分頻段Stripline會較好的原因為return loss所導致)
 

 

 

Near-end crosstalk(NEXT)Far-end crosstalk(FEXT)的部分,可以看到StriplineNEXT表現與Microstrip差不多,但是FEXT的表現就呈現出明顯的差異,StriplineFEXT幾乎接近0

 

 
其實整體來看,我們可以得到一些結論:
1.Stripline的損耗比Microstrip來的大,但影響程度很小。
2.Stripline有降低串音干擾以及低電磁輻射的優勢。
3.Stripline需要多層數印刷電路板(至少6層,除非要放棄第一層當訊號層)
4.Stripline因為電容性較強,會有訊號延遲增加的疑慮。
 
 
P.S至於為何StriplineFEXT接近0
其實理想StriplineFEXT就是0。這部分筆者在什麼?StriplineFEXT0Why一文中將分成兩部分解釋。