Microstrip vs. Stripline: Detaillierter Vergleich für PCB-Designer

Leiterplatten bilden das Rückgrat moderner elektronischer Geräte und ermöglichen die nahtlose Übertragung von Signalen über verschiedene Komponenten hinweg. Innerhalb dieser komplizierten Konstruktionen spielen Übertragungsleitungen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Signalintegrität und der Reduzierung elektromagnetischer Störungen. Zu den am häufigsten verwendeten Übertragungsleitungen in Leiterplatten gehören Mikrostreifen- und Streifenleitungen. Jeder Typ bietet unterschiedliche Vorteile und Herausforderungen, sodass die Wahl zwischen ihnen für die Leistung und Zuverlässigkeit des Endprodukts von Bedeutung ist.

Ziel dieses Artikels ist es, einen klaren und prägnanten Vergleich von Streifenleitungen und Mikrostreifenleitungen zu bieten und ihre strukturellen Unterschiede, Leistungsmerkmale und typischen Anwendungen hervorzuheben. Durch das Verständnis dieser Aspekte können PCB-Designer und -Ingenieure fundierte Entscheidungen treffen, die auf ihre spezifischen Projektanforderungen zugeschnitten sind, und so eine optimale Signalübertragung und Gesamtleistung des Geräts gewährleisten.

Stripline verstehen

Eine Streifenleitung ist eine andere Art von Übertragungsleitung Wird in PCB-Designs verwendet und zeichnet sich durch einen Leiterstreifen aus, der zwischen zwei parallelen Masseebenen liegt, wobei die gesamte Baugruppe im dielektrischen Material der PCB eingebettet ist. Diese interne Platzierung sorgt für eine hervorragende Abschirmung des Signalpfads und reduziert elektromagnetische Störungen (EMI) und Übersprechen benachbarter Leiterbahnen. Streifenleitungen werden vorwiegend in mehrschichtigen Leiterplattendesigns verwendet und bieten eine robuste Leistung für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen.

Anwendungen

Streifenleitungen sind ideal für Anwendungen, die eine hohe Signalintegrität und minimale Interferenzen erfordern. Sie werden häufig in Hochfrequenzschaltungen, in der Luft- und Raumfahrt- und Militärelektronik sowie in allen Designs verwendet, bei denen die Aufrechterhaltung der Reinheit des Signals von entscheidender Bedeutung ist. Durch die inhärente Abschirmung durch die Masseebenen eignen sich Streifenleitungen für Umgebungen mit strengen EMI-Anforderungen.

Leistungsmerkmale

Streifenleitungen bieten mehrere bemerkenswerte Leistungsvorteile:

• Signalintegrität: Die zentrale Platzierung der Streifenleitung zwischen zwei Masseebenen sorgt für eine hervorragende Abschirmung, die Strahlungsverluste und Übersprechen deutlich reduziert. Diese Konfiguration gewährleistet eine hohe Signalintegrität, was besonders wichtig für Hochgeschwindigkeits-Digital- und HF-Signale ist.

• Dielektrische Verluste: Während bei Streifenleitungen im Vergleich zu Mikrostreifenleitern im Allgemeinen höhere dielektrische Verluste auftreten, trägt die gleichmäßige dielektrische Umgebung um die Streifenleitung dazu bei, eine stabile Ausbreitungskonstante aufrechtzuerhalten.

• Impedanzkontrolle: Die charakteristische Impedanz einer Streifenleitung wird durch die Breite des Leiterstreifens und den Abstand zwischen den Masseebenen beeinflusst. Dies ermöglicht eine präzise Kontrolle der Impedanz und macht Streifenleitungen für die impedanzkontrollierte Verlegung in Leiterplattendesigns mit hoher Dichte geeignet.

Design-Überlegungen

Das Entwerfen mit Streifenleitungen erfordert mehrere wichtige Überlegungen:

• Komplexität: Das interne Routing von Streifenleitungen macht den Entwurfs- und Herstellungsprozess im Vergleich zu Mikrostreifenleitungen komplexer. Diese Komplexität wird jedoch durch die Vorteile der Signalintegrität und der EMI-Kontrolle ausgeglichen.

• Kosten: Die Implementierung von Streifenleitungen kann aufgrund der Notwendigkeit einer präzisen Fertigung und der für die Masseebenen erforderlichen zusätzlichen Schichten teurer sein.

• Debugging und Prototyping: Die eingebettete Natur von Streifenleitungen kann das Debuggen und Prototyping erschweren, da der Zugriff auf die internen Schichten für Tests oder Änderungen im Vergleich zu Oberflächenleiterbahnen wie Mikrostreifen schwieriger ist.

Microstrip verstehen

Ein Mikrostreifen ist eine Art Übertragungsleitung, die in PCB-Designs verwendet wird und aus einem leitenden Streifen besteht, der durch eine dielektrische Schicht von einer Masseebene getrennt ist. Typischerweise wird der leitende Streifen auf den Außenschichten der Leiterplatte platziert, wobei das dielektrische Material (z. B. FR4) als Isolierschicht zwischen dem Streifen und der Leiterplatte fungiert Grundebene. Diese offene Struktur ermöglicht eine einfache Verbindung des Mikrostreifenleiters mit anderen Komponenten, was ihn zu einer beliebten Wahl für HF- und Mikrowellenschaltungen macht.

Anwendungen

Mikrostreifenleiter werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine Hochfrequenzsignalübertragung erfordern, wie z. B. HF-Schaltkreise, Mikrowellenkommunikationssysteme und Antennendesigns. Ihre einfache Konnektivität und das minimale Übersprechen in Umgebungen mit hoher Dichte machen sie ideal für die Integration mehrerer Kanäle auf einer einzigen Leiterplatte. Darüber hinaus werden Mikrostreifenleiter häufig in Designs eingesetzt, bei denen eine schnelle Signalausbreitung und eine effiziente Wärmeableitung entscheidend sind.

Leistungsmerkmale

Microstrips bieten mehrere Leistungsvorteile:

• Ausbreitungsgeschwindigkeit: Mikrostreifen haben eine niedrigere Ausbreitungskonstante, was im Vergleich zu anderen Arten von Übertragungsleitungen zu einer schnelleren Signalübertragung führt.

• Dielektrische und Strahlungsverluste: Während bei Mikrostreifenleitern geringere dielektrische Verluste auftreten, da sie teilweise der Luft ausgesetzt sind, weisen sie tendenziell höhere Strahlungsverluste auf, die sich insbesondere bei höheren Frequenzen auf die Signalintegrität auswirken können.

• Impedanzkontrolle: Die charakteristische Impedanz eines Mikrostreifens lässt sich leicht steuern, indem man die Breite des Streifens und die Dicke der dielektrischen Schicht anpasst, was Flexibilität beim Design bietet.

Design-Überlegungen

Das Entwerfen mit Mikrostreifen erfordert mehrere Überlegungen, um eine optimale Leistung sicherzustellen:

• Einfache Herstellung: Mikrostreifen sind relativ einfach herzustellen, da ihre Platzierung auf der Leiterplattenoberfläche den Prozess der Verbindung von Komponenten vereinfacht und die Produktionskosten senkt.

• Wärmemanagement: Die offene Struktur von Mikrostreifen ermöglicht eine effektive Wärmeableitung und eignet sich daher für Anwendungen, bei denen das Wärmemanagement eine Rolle spielt.

• Signalintegrität: Um Strahlungsverluste und Übersprechen zu minimieren, müssen Entwickler die Anordnung und Abstände von Mikrostreifenleitungen sorgfältig planen, insbesondere bei Anwendungen mit hoher Dichte und Hochfrequenz.

Hauptunterschiede zwischen Stripline und Microstrip

Um fundierte Entscheidungen beim PCB-Design treffen zu können, ist es wichtig, die wesentlichen Unterschiede zwischen Streifenleitungen und Mikrostreifen zu verstehen. Diese Unterschiede wirken sich erheblich auf Leistung, Anwendungseignung und Designkomplexität aus.

Vergleich basierend auf der Struktur

Mikrostreifen befinden sich auf den Außenschichten der Leiterplatte, wo ein leitender Streifen durch eine dielektrische Schicht von einer Masseebene getrennt ist. Diese offene Struktur bedeutet, dass der Mikrostreifen oberhalb der Leiterplatte der Luft und darunter dem dielektrischen Material ausgesetzt ist. Im Gegensatz dazu sind Streifenleitungen in die inneren Schichten der Leiterplatte eingebettet und liegen zwischen zwei parallelen Masseebenen. Diese Platzierung sorgt für eine konsistente dielektrische Umgebung um die Signalspur, verbessert die Abschirmung und reduziert elektromagnetische Störungen (EMI).

Vergleich basierend auf Signalintegrität und Abschirmung

Im Hinblick auf Signalintegrität und Abschirmung weisen Mikrostreifenleitungen aufgrund der Luftexposition tendenziell höhere Strahlungsverluste auf, wodurch sie anfälliger für externe Störungen sind. Sie bieten jedoch eine gute Leistung für Hochfrequenzsignale, bei denen eine einfache Konnektivität im Vordergrund steht. Streifenleitungen hingegen profitieren von ihrer eingebetteten Beschaffenheit, die eine hervorragende Abschirmung vor externen EMI bietet. Dies führt zu geringeren Strahlungsverlusten und einer verbesserten Signalintegrität, was Streifenleitungen ideal für Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen macht, bei denen die Aufrechterhaltung der Signalreinheit von entscheidender Bedeutung ist.

Vergleich basierend auf dielektrischen und Strahlungsverlusten

Im Hinblick auf Dielektrizitäts- und Strahlungsverluste weisen Mikrostreifenleiter geringere dielektrische Verluste auf, da sich ein Teil des Signals durch die Luft ausbreitet, die im Vergleich zu Luft eine niedrigere Dielektrizitätskonstante aufweist Leiterplattenmaterial. Der Nachteil sind jedoch höhere Strahlungsverluste. Bei Streifenleitungen kommt es zu höheren dielektrischen Verlusten aufgrund der konsistenten dielektrischen Umgebung, die durch das umgebende PCB-Material bereitgestellt wird. Dennoch trägt diese Umgebung dazu bei, Strahlungsverluste zu minimieren und einen stabileren Signalpfad aufrechtzuerhalten.

Vergleich basierend auf Impedanzkontrolle

Die Impedanzsteuerung in Mikrostreifen ist relativ einfach, indem die Breite des leitenden Streifens und die Dicke der dielektrischen Schicht angepasst werden. Aufgrund dieser Flexibilität eignen sich Mikrostreifen für eine Vielzahl von Anwendungen mit unterschiedlichen Impedanzanforderungen. Bei Streifenleitungen wird die Impedanzkontrolle durch Manipulation der Breite des Leiters und des Abstands zwischen den Masseebenen erreicht. Diese präzise Steuerung ist für Designs von Vorteil, die strenge Impedanztoleranzen erfordern, insbesondere in Routing-Szenarien mit hoher Dichte.

Vergleich basierend auf Herstellungskomplexität und -kosten

Wenn es um die Komplexität und Kosten der Herstellung geht, sind Mikrostreifen aufgrund ihrer externen Platzierung im Allgemeinen einfacher und kostengünstiger herzustellen. Der einfachere Designprozess macht Mikrostreifen zu einer kostengünstigen Lösung für viele HF- und Mikrowellenanwendungen. Aufgrund der zusätzlichen Schichten und der für die Einbettung der Signalspuren erforderlichen Präzision sind Streifenleitungen jedoch komplexer und kostspieliger in der Herstellung. Diese Komplexität ist bei Anwendungen gerechtfertigt, bei denen die Vorteile einer reduzierten EMI und einer überlegenen Signalintegrität die höheren Produktionskosten überwiegen.

Beispiele für Stripline- und Microstrip-Routing-Stile

Das Verständnis der unterschiedlichen Routing-Stile für Streifenleitungen und Mikrostreifen ist für die Optimierung von PCB-Designs von entscheidender Bedeutung. Hier sind einige gängige Routing-Stile für beide Typen:

• Standard-Mikrostreifen: Ein einzelner leitender Streifen, der auf der Außenschicht der Leiterplatte platziert und durch eine dielektrische Schicht von der Masseebene getrennt ist. Dies ist die einfachste und gebräuchlichste Mikrostreifenkonfiguration.

• Kantengekoppelter Mikrostreifen: Zwei parallele Mikrostreifenleitungen, die nahe beieinander verlegt sind und häufig für die Differenzsignalisierung verwendet werden. Diese Konfiguration trägt dazu bei, Übersprechen zu minimieren und die Signalintegrität in Hochgeschwindigkeitsanwendungen aufrechtzuerhalten.

• Eingebetteter Mikrostreifen: Ähnlich einem Standard-Mikrostreifen, jedoch eingebettet in die Leiterplattenschichten, mit einem dielektrischen Material über und unter dem Streifen. Diese Konfiguration ist weniger verbreitet und wird in bestimmten Anwendungen verwendet, die eine zusätzliche Abschirmung erfordern.

• Symmetrische Streifenleitung: Ein leitender Streifen, der zentral zwischen zwei parallelen Masseebenen innerhalb der Innenschichten der Leiterplatte platziert ist. Diese symmetrische Struktur sorgt für eine konsistente dielektrische Umgebung und eine hervorragende EMI-Abschirmung.

• Asymmetrische Streifenleitung: Ähnlich wie bei einer symmetrischen Streifenleitung, wobei der leitende Streifen jedoch näher an einer der Masseebenen und nicht in der Mitte platziert ist. Mit dieser Konfiguration können unterschiedliche Impedanzeigenschaften erreicht werden.

• Kantengekoppelte Streifenleitung: Zwei parallele Streifenleitungen, die nahe beieinander verlegt sind und für die Differenzsignalisierung innerhalb der internen Schichten der Leiterplatte verwendet werden. Diese Konfiguration bietet eine hervorragende Abschirmung und minimales Übersprechen.

• Breitseitig gekoppelte Streifenleitung: Ein Paar übereinander gestapelter Streifenleitungen innerhalb der PCB-Schichten, wobei das dielektrische Material sie trennt. Diese Konfiguration wird für die Differenzsignalisierung verwendet und bietet eine hervorragende Isolierung und Signalintegrität.

Schlussfolgerung

Die Wahl zwischen Streifenleiter- und Mikrostreifen-Übertragungsleitungen ist für die Optimierung der Leiterplattenleistung von entscheidender Bedeutung. Mikrostreifen sind kostengünstig und einfacher herzustellen, ideal für HF- und Mikrowellenschaltungen. Streifenleitungen bieten eine hervorragende Signalintegrität und EMI-Abschirmung und eignen sich daher für Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen.

Bewerten Sie die spezifischen Anforderungen Ihres Projekts, z. B. Frequenz, Signalintegrität und Kostenüberlegungen. Die Beratung durch einen sachkundigen Leiterplattenhersteller wie VictoryPCB kann wertvolle Hinweise geben und sicherstellen, dass Ihr Design den technischen Anforderungen entspricht. Durch die Berücksichtigung dieser Faktoren können Sie eine fundierte Entscheidung für Ihr PCB-Design treffen.

Referenzen

Stripline vs. Microstrip: Unterschiede und Richtlinien beim PCB-Design-Routing. Link
 Was ist der Unterschied zwischen Microstrip und Stripline in PCB? Link