Applikationsschrift 123

Unsymmetrische Stripline-Strukturen

In dieser Applikationsschrift behandeln wir die unsymmetrische Stripline-Struktur — eine der beiden häufigsten Konstruktionen von Übertragungsleitungen auf Leiterplatten.

Wir lernten in Applikationsschrift AP121 dass kontrollierte Impedanzen auf Leiterplatten üblicherweise als Microstrip- oder Stripline-Übertragungsleitungen in unsymmetrischer oder symmetrischer Konfiguration realisiert werden. In dieser Applikationsschrift behandeln wir die unsymmetrischen Stripline-Strukturen. Ähnlich wie bei der Microstrip-Struktur sind diese unsymmetrisch, d.h. der Querschnitt des Signalleiters unterscheidet sich vom Signal-Retourpfad.

Wie bei der Microstrip-Struktur ist die charakteristische Impedanz eine Funktion der physikalischen Abmessungen der Leiterbahn sowie der Dielektritzitätskonstanten des Basismaterials und dessen Dicke.

Stripline-Strukturen

Die Stripline besteht normalerweise aus einer Leiterbahn, welche zwischen zwei Referenzlagen angeordnet und in dielektrischem Material eingebettet ist. Die Übertragungsleitung, d.h. die Leiterbahn und die Referenzlagen formen die kontrollierte Impedanz. Der Wert der Impedanz wird durch die physikalische Konstruktion und den elektrischen Eigenschaften des Dielektrikums bestimmt:

• der Breite und Dicke der Signalleitung
• der dielektrischen Konstanten sowie der Dicke des Core oder Pre-Preg-Materials an beiden Seiten der Leiterbahn
• der Anordnung von Leiterbahn und Lagen

Zur Vereinfachung kann das Dielektrikum als homogen betrachtet werden. Elektromagnetische Wellen breiten sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem Material hängt im wesentlichen vom Er des Materials ab (näherungsweise umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstanten des Materials). roughly inversely proportional to the square root of the dielectric constant of the material). Bei einer Dielektrizitätskonstanten von ca. 4 für G-10 oder FR-4 (der tatsächliche Wert hängt von der Frequenz und dem Glasfaser/Harz-Verhältnis ab), so beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit ca. die halbe Lichtgeschwindigkeit.

Es gibt mehrere Stripline-Konfigurationen:

• Centred Stripline (mittig im Basismaterial)
• Dual (offset) Stripline (Versatz aus der Mitte)

Diese Strukturen werden in den Abbildungen unten gezeigt.

Unsymmetrische (Single-ended) Striplines

Beachten Sie, dass im folgenden Diagramm die Signalleitung einen trapezförmiges Profil aufweist und W die Breite der Leiterbahn näher zur oberen Fläche und W1 die Breite näher zur unteren Fläche ist.

Eine Stripline unterscheidet sich von einer Microstrip dadurch, dass sich die Leitung in Dielektrikum eingebettet zwischen zwei Referenzflächen befindet. Es gibt zwei Varianten der Stripline-Konfiguration  — die centred (mittige) oder symmetric Stripline und die offset Stripline.

Symmetric Stripline

Abb1 Symmetric stripline

Bei der Symmetric Stripline (Abb. 1) ist die Signalleitung symmetrisch, d.h. mittig zwischen den Referenzlagen angeordnet. Dies ist oft schwierig zu realisieren, da das Laminat über und unter der Leiterbahn entweder C-Stufe oder B-Stufe  (core oder pre-preg) Material ist.

Offset Stripline

Abb. 2 Offset stripline

Im Fall der offset oder asymmetric Stripline ist die Leiterbahn ebenfalls zwischen zwei Referenzlagen angeordnet, jedoch mit unterschiedlichem Abstand zu den beiden Lagen.

Eine zweite spiegelbildliche Leiterbahn kann im Abstand H1 von der oberen Massefläche angeordnet sein. Diese Struktur wird auch dual stripline genannt — in diesem Fall sind die zwei Signalleiter zwischen zwei Referenzflächen benachbarter Lagen angeordnet. Diese zwei Signallagen werden orthogonal geführt, um Übersprechen zwischen den Lagen zu minimieren, d.h. die Signalleitungen kreuzen sich im Winkel von 90 Grad um die Überdeckung gering zu halten. Diese Struktur verhält sich wie zwei unabhängige Offset-striplines. Die Dual-Stripline-Struktur wird in Abbildung 3 gezeigt.

Die Abbildung zeigt die charakteristischen Stripline-Eigenschaften:

• die Stripline besitzt zwei Referenzlagen
• die impedanzkontrollierte Leiterbahn befindet sich auf einer Innenlage.

Die Gleichungen zur Berechnung der charakteristischen Impedanz beruhen auf sehr komplexer Mathematik – üblicherweise Feldberechnungsmethoden mit einer Finite Elemente-Analyse, deren Behandlung über den Rahmen dieses Dokuments hinausgeht..

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