По линиям передачи, формирующимся на печатных платах, распространяются Т-волны, являющимися плоскими электромагнитными волнами, поскольку размеры поперечного сечения линий, реализованных на платах, намного меньше минимальных длин волн, даже включая гигагерцовый диапазон частот. Направленный от источника к приемнику ток является прямым, в противном случае - обратным. Количество прямых и обратных проводников неограниченно. Слой питания и заземления в печатной плате может выступать в качестве обратного проводника.
При распространении сигнала по линии передачи, между прямым и возвратным проводниками формируется электромагнитное поле, поэтому в линии передачи важную роль играют оба проводника.
Скорость распространения сигнала в линии передачи определяется свойствами материалов, которые используются в конструкции. В большинстве случаев, используются материалы, не имеющие ярко выраженных магнитных свойство, поэтому скорость распространения сигнала в линии передачи определяется диэлектрической проницаемостью диэлектриков.
Связанный с сигналом ток можно всегда можно рассчитать, зная волновое сопротивление.
1.2 Классификация линий передач
Если поперечное сечение линии неизменно вдоль всей ее длины, то такая линия передачи называется однородной.
Однородные линии передачи входят в состав печатных плат с управляемым волновым сопротивлением.
Примеры однородных линий передачи представлены на рис.1.
Рис. 1 - Линии передачи
Для быстродействующей цифровой аппаратуры все соединения и линии передачи должны быть однородными.
Основное отличие неоднородных линий от однородных заключается в изменении их размеров и свойств вдоль линии передачи. Классическим примером неоднородной линии является такая конструкция, когда размеры двух проводников непостоянны и расстояние между ними меняется. Односторонние печатные платы, не имеющие возвратного проводника, также являются неоднородными. Основная проблема неоднородных линий передачи заключается в целостности сигнала, передаваемого по ним. Подобного рода линии являются нежелательными, при проектировании печатных плат их стараются избегать. Если создание однородности в линии по каким-либо причинам невозможно, то для сохранения целостности сигнала неоднородную линию передачи необходимо уменьшить в длине.
Также, важным фактором, оказывающим влияние на печатную плату, является то, насколько прямой и обратный проводники в линии передачи разнятся. Если они одинаковы по форме и длине, то такая конструкция линии передачи называется симметричной, в противном случае - несимметричной. Примерами симметричной являются некоторые виды копланарных линий и витая пара.
Представителем несимметричной линии является коаксиальный кабель, т.к. центральный проводник всегда отличается от внешнего по форме. Большинство типов линий передачи являются несимметричными, не исключением стали полосковые и микрополосковые линии.
Задача линии передачи заключается в переносе сигнала от источника к приемнику. В отличие от свойства однородности линии, симметричность практически не влияет на целостность сигнала, кроме конструкций с дифференциальной парой, поэтому при проектировании для большинства печатных плат симметричность линии передачи не является определяющей составляющей.
1.3 Распространение сигнала в линии передачи
В первую очередь скорость сигнала при прохождении по линии передачи зависит от технологических материалов не только диэлектрика, но и других конструктивных составляющих (паяльная маска, влагозащитное покрытие) почти каждой печатной платы.
Существует зависимость скорости распространения сигнала и скоростью формирования изменяющихся электрических и магнитных полей, которые находятся между прямым и возвратным проводниками, и распространение их в диэлектрике.
Назначение возвратного проводника заключается в создании магнитного поля. Поле возникает из-за тока, протекающего вдоль него.
Распространение электромагнитной волны определяется некоторыми свойствами материалов, на которые действует электрическое и магнитное поля.
Формула для расчёта скорости распространения сигнала в общем виде выглядит следующим образом:
В ней учитываются относительная диэлектрическая проницаемость и относительная магнитная проницаемость материала, а также присутствуют диэлектрическая и магнитная постоянные. Стоит отметить, что такая методика расчёта действительна для распространения сигнала в произвольной однородной среде, здесь не учитываются другие технологические покрытия печатных плат.
Зависимость скорости света и скорости распространения волны в линии передачи:
Как видно из формулы, скорость распространения волны в линии передачи будет меньше, чем скорость света, потому что относительная проницаемость диэлектриков всегда будет больше «1» (показатель относительной проницаемости воздуха). Существует вполне определенный диапазон значений относительной диэлектрической проницаемости материала, который используют при проектировании печатных плат: относительная диэлектрическая проницаемость в большинстве случаев находится в промежутке от «4» до «6», и никогда не выходит за рамки «16», потому что при очень большом значении диэлектрической проницаемости скорость распространения сигнала будет существенно ниже. Вышеупомянутые условия подходят для всех типов линии передачи.
На практике, в кусочно-однородных диэлектрических средах высчитывают эффективную диэлектрическую проницаемость, которую используют вместо диэлектрической проницаемости материала. Есть упрощенная методика расчёта эффективной проницаемости микрополосковой линии:
,
где еr - диэлектрическая проницаемость материала.
Расчёт по данной формуле выявит одинаковые значения эффективной диэлектрической проводимости для всех размеров проводника, однако такой метод позволит найти лишь приближенное значение, поскольку ширина и толщина проводника также вносят свои коррективы в значение эффективной диэлектрической проницаемости. Для того чтобы факторы размеров учитывались при подсчёте, вводят специальный поправочный коэффициент ke:
,
где hms - толщина подложки; w - ширина проводника; еr - диэл. проницаемость
Соответственно, зная поправочный коэффициент, можно усложнить формулу подсчёта скорости ЭМ волны:
Даже в однородной среде диэлектрическая проницаемость может меняться в зависимости от частоты, из чего следует, что скорость ЭМ волны в материале также может зависеть от частоты. В большинстве случаев, при увеличении частоты диэлектрическая проницаемость снижается, следовательно, скорость в материале увеличивается. Однако наиболее часто используемым материалом в печатных платах является стеклотекстолит, его значения диэлектрической проницаемости меняются очень слабо, даже в интервалах в несколько ГГц (диапазон значений варьируется в пределах от 4 до 6). Проанализировав метод расчёта скорости сигнала на линиях передачи, можно сделать вывод, что в проводниках на печатных платах скорость ЭМ волны приблизительно в 2 раза меньше скорости света.
1.4 Волновое сопротивление и способы согласования
Волновое сопротивление - одно из важнейших электрических параметров, которое должно быть определено с необходимой точностью при разработке быстродействующих устройств. Волновое сопротивление не зависит от длины линии. Для большинства линий передачи в печатных платах волновое сопротивление равняется 50 Ом.
Выбор материалов для печатных плат ограничен, а сопротивление управляется за счет изменения удельной емкости.
Однородные линии передачи, волновое сопротивление которых заранее известно, называются линиями с контролируемым волновым сопротивлением.
Все быстродействующие узлы должны быть сделаны на платах с волновым сопротивлением, которое можно контролировать.
Изменение волнового сопротивления может достигаться путём изменения размеров элементов сечения, за счёт которых изменяется емкость и индуктивность линии передачи.
Чтобы согласовать линии передачи, в схему нужно добавить специальные резисторы.
Способы согласования линии передачи печатных плат:
«Классическое» ВЧ согласование:
Рис. 2 - Классическое ВЧ согласование
Данный вид предусматривает согласование линии передачи с двух сторон. Такой способ является единственным возможным решением, однако принимаемый сигнал может уменьшаться вдвое. Таким образом, при проектировании используется вариант, когда источник является низкоомным, а приемник, наоборот, высокоомным. Соответственно, согласование линии происходит только с одной стороны, позволяя сохранять уровень сигнала, выпускаемый источником, неизменным на приёмнике. Также, в данной конструкции в СВЧ-технике неплохим решением для инженеров является добавление реактивных компонентов и даже изменение длины проводника.
Последовательное согласование:
Рис. 3 - Последовательное согласование
При последовательном согласовании, сопротивление выхода и волновое сопротивление линии совпадает. Преимущество: малая мощность.
3. Параллельное согласование (Шунт)
Рис. 4 -Разновидности параллельных согласований
Данная конструкция используется при подключении сразу нескольких выходов к линии передачи.
Волновое сопротивление является одним из самых важных параметров линии передачи, поэтому необходима достаточно точная и современная методика расчёта волнового сопротивления для различных конфигураций линий передачи, а также вне зависимости от используемого способа согласования.
1.5 Линия передачи с контролируемым волновым сопротивлением
Основная концепция при разработке состоит в том, что волновое сопротивление линии передачи должно быть известно, и линия передачи должна быть согласована с полным сопротивлением нагрузки, чтобы уменьшить отражение волн.
Волновое сопротивление линии передачи аналогично сопротивлению постоянного тока, выражаемого законом Ома. В современных цепях волновое сопротивление линии передачи рассчитывают похожим образом, как отношение напряжения к току, текущему по проводнику при заряде элементарных емкостей при распространении фронта волны. Отличие лишь в том, что при высоких частотах, отношение связано с током за период времени до достижения фронтом импульса напряжения следующего компонента. Согласно этому, количество электрического тока, необходимого для распространения сигнала по линии передачи, зависит от волнового сопротивления. Это необходимо учитывать и соответственно распределять приемники в цепи согласно вытекающим правилам размещения.
Возникновение отражений сигнала в линии передачи может возникать не только из-за несогласованности, но и за счёт неоднородностей по пути сигнала. Отражения являются нежелательным фактором, они не только уменьшают уровень напряжения, но и способны генерировать шум, что приводит к сбою системы из-за недостатка напряжения или появлению помехи.
1.6 Основные факторы, влияющие на волновое сопротивление линии передачи
В различных видах линии передачи действуют свои зависимости волнового сопротивления от других параметров, однако стоит выделить самые важные из них:
1. Ширина диэлектрика.
2. Относительная диэлектрическая проницаемость.
Существование слоя между опорной цепью и проводником уже позволяет говорить об относительной диэлектрической проницаемости, так как этот слой обязательно должен быть выполнен из какого-либо материала. Данный параметр определяется как отношение диэлектрической проницаемости материала к диэлектрической проницаемости свободного пространства (по определению равное 1). Достаточно часто применяется в технике, несмотря на потенциально возможные изменения значений в зависимости от частоты, температуры или количества влаги в материале, а также, относительная диэлектрическая проницаемость в слоистом диэлектрике может зависеть от каждой компоненты.
Ширина проводника.
Ширина проводника связана с толщиной диэлектрического слоя. Для практически всех разновидностей линий передачи невозможны случаи, когда ширина проводника слишком мала, а толщина диэлектрического слоя достаточно большая, или наоборот.
Толщина проводника.
Также, имеет прямое отношение к волновому сопротивлению.
Стоит отметить, что каждый из вышеперечисленных параметров по-разному влияет на волновое сопротивление, для каждой линии передачи существуют свои уникальные формулы. В связи с геометрическими, технологическими и эксплуатационными особенностями задачи расширяются, и вдобавок к названным параметрам может добавиться ещё целый перечень из десятков параметров, влияющих на волновое сопротивление линии передачи. Соответственно, помимо того, что задача по нахождению волнового сопротивления является одной из самых важных, она становится ещё и одной из самых сложных.
1.7 Микрополосковые структуры
Микрополосковая линия передачи -- это такая линия передачи, которая передает сигнал в воздушной или диэлектрической среде вдоль двух и/или более проводников, состоящих из тонких полосок и пластин.