Designleitfaden für Mikrostreifenimpedanzen: Von der Theorie zum Leiterplattenlayout

Warum 50Ω wichtig ist

Der 50-Ω-Impedanzstandard entstand aus einem Kompromiss zwischen Belastbarkeit (was eine niedrigere Impedanz begünstigt) und Einfügedämpfung (die eine höhere Impedanz um 77 Ω begünstigt). Für HF-Arbeiten ist 50 Ω der nahezu universelle Standard. Für Video 75 Ω. Bei einigen Logiksignalen ist eine Differenz von 100 Ω üblich.

Wenn die Leiterbahnimpedanz nicht mit der Quelle oder Last übereinstimmt, treten Reflexionen auf. Bei Gleichstrom und niedrigen Frequenzen ist das harmlos — die Signale breiten sich langsam genug aus, dass der Transient abklingt, bevor er Schaden anrichtet. Aber oben in etwa:

„MATHBLOCK_0“

wo *v*die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist (~0,6c auf FR4) und *l* die Leiterbahnlänge ist, wird die Impedanzkontrolle wichtig. Bei einer 10-cm-Kurve auf FR4 sind dies ungefähr 900 MHz.

Die Hammerstad-Jensen-Gleichungen

Die meisten Online-Rechner verwenden die vereinfachten IPC-2141-Gleichungen, die auf etwa ± 5% genau sind. Verwenden Sie für die Fertigung Hammerstad-Jensen (1980) mit Wadell-Korrekturen, die eine Genauigkeit von ± 1% erreichen.

Für eine schmale Spur (W/H < 1):

„MATHBLOCK_1“

Für eine breite Spur (W/H ≥ 1):

„MATHBLOCK_2“

wobei *W*die effektive Breite (unter Berücksichtigung der Kupferdicke) und *α*eff die effektive Dielektrizitätskonstante ist.

Materialauswahl

Die Dielektrizitätskonstante von FR4 variiert mit der Frequenz (4,5 bei 100 MHz → 4,1 bei 10 GHz) und mit dem Glasgewebe. Geben Sie für kritische HF-Designs über 1 GHz ein Controlled-DK-Laminat an.

Fertigungstoleranzen

Ein typischer Leiterplattenhersteller hält die folgenden Toleranzen ein:

• Leiterbahnbreite: ±0,05 mm (2 mil) für Standard, ±0,025 mm (1 mil) für kontrollierte Impedanz
• Dicke des Dielektrikums: ± 10% im Standard, ± 5% bei impedanzgesteuerten Lagenaufbauten
• Dicke des Kupfers: ± 10%

Zusammengenommen ergeben diese eine Impedanzschwankung von ungefähr ± 10% in einer Standardordnung und ± 5% in einer impedanzkontrollierten Reihenfolge. Wenn Sie mehr als ± 5% benötigen, müssen Sie dies ausdrücklich angeben und mit höheren Kosten rechnen.

Praktische Konstruktionsregeln

Ziel: 50 Ω für HF, 100 Ω Differenz für Hochgeschwindigkeits-Digital. Auf einer 1,6 mm FR4-Standardplatine mit 1 Unze Kupfer:

• 50 Ω, einseitig, ≈ 2,8 mm Leiterbahnbreite
• 100 Ω Differenz ≈ 0,12 mm Abstand zwischen 1,8 mm Leiterbahnen

Halten Sie die Referenzebenen fest. Hohlräume, Schlitze oder Risse unter einer Leiterbahn mit kontrollierter Impedanz verändern die lokale Impedanz unvorhersehbar. Verlegen Sie die HF-Leiterbahnen von Leiterplattenkanten und Steckern weg, die in der Nähe der Referenzebene durchtrennt werden könnten. Durchkontaktierungen um die HF-Leiterbahnen herumführen. Fügen Sie bei Mikrostreifendurchkontaktierungen alle λ/20 auf beiden Seiten der Leiterbahn hinzu, um Parallelplattenresonanzen zu unterdrücken. Diskontinuitäten abgleichen. Durch Verbindungsanschlüsse, Durchkontaktierungen und Pads entstehen Impedanzdiskontinuitäten. Kompensieren Sie dies mit einer Reduzierung der Pad-Größe (Anti-Pad) oder entfernen Sie die Referenzebene an den Übergängen der Kontaktstellen leicht aus.

Überprüfung

Verwenden Sie unseren [Microstrip-Impedanzrechner] (/calculators/rf/microstrip-impedanz), um Ihre Leiterbahnabmessungen zu berechnen, und bestätigen Sie diese anschließend mit dem Lackup-Impedanzrechner Ihres Leiterplattenhauses. Für die Produktion fordern Sie einen Testgutschein an — eine separate Leiterbahn mit derselben Geometrie, die mit einem TDR (Zeitbereichsreflektometer) gemessen werden kann, um die tatsächliche Impedanz vor der Montage zu überprüfen.