Дипломная работа: Методы расчета волновых сопротивлений линий передачи перспективных печатных плат и создание веб-приложения на их основеtivnyh-pechatnyh-plat-i-sozdanie-veb-pril_101609

Своё название данная линия получила из-за высокой диэлектрической проницаемости подложки, её геометрические характеристики (поперечные сечения, толщина) намного меньше, чем длина распространяющейся в свободном пространстве волны. Линия передачи характеризуется распространяющейся в ней волной квази-ТЕМ, также силовыми линиями электрического поля, которые находятся как в диэлектрическом материале, так и вне его.

Большим преимуществом микрополосковой линий считается возможность автоматизации производства с применением технологий изготовления печатных плат, гибридных и плёночных интегральных микросхем. Основным недостатком является ограничение применения, при котором микрополосковые линии можно использовать только при малых и средних уровнях мощности колебаний.

1.8 Расчёт волнового сопротивления микрополосковой линии без учёта конструктивно-технологических воздействий

Рис. 5 - Микрополосковая линия

На рисунке 4 изображена структура микрополосковой линии, в которой «W», «t», «h», «er» являются шириной проводника, толщиной проводника, шириной диэлектрика и диэлектрической проницаемостью соответственно.

Скорость микрополосковой линии:

Если диэлектрическое заполнение отсутствует, то фазовая скорость в линии соответствует скорости света:

где L - погонная индуктивность линии, C - погонная емкость;

Из этого следует:

Значит:

Как было выявлено ранее:

Формула волнового сопротивления микрополосковой линии:

Волновое сопротивление микрополосковых линий обычно не должно быть выше 125 Ом и ниже 20 Ом.

1.9 Расчёт волнового сопротивления микрополосковой линии с учётом всех конструктивно-технологических воздействий

Вышеупомянутая формула расчёта волнового сопротивления микрополосковой линии передачи является формулой международного стандарта IPC-2141A. Данный стандарт является основным документом. В зарубежных компаниях по производству быстродействующем аппаратуры, требования, изложенные в этом стандарте, должны быть учтены инженерами. Формулы данного стандарта предусматривают не только открытую микрополосковую линию, но и различные варианты и модификации, причём для каждой существуют свои уникальные методы расчёта. Стандарт IPC-2141A оперирует значениями эффективной диэлектрической проницаемости, расчёт которой является достаточно сложной математической задачей. Самое главное, что данный стандарт хоть и является основой и базой при проектировании аппаратуры, он не учитывает множество различных факторов, что ставит под сомнение точность данных формул.

Как уже было рассмотрено ранее, для создания хорошей быстродействующей цифровой аппаратуры, необходимо на поверхностях печатных плат реализовать линии передачи с контролируемым волновым сопротивлением. Более того, чтобы изделие функционировало бесперебойно и эффективно, на частотах свыше тысячи мегагерц рассогласование волновых сопротивлений линий передачи с нагрузкой не должно выходить за рамки 5-10%. Иначе, возникнут помехи из-за отражения сигнала, уменьшится мощность и с большой вероятностью аппаратура выйдет из строя. Поэтому существует необходимость создания уточненных методов расчёта волнового сопротивления линии передачи, в которых учитываются все возможные конструкторско-технологических факторов. В работе [4] были осуществлены численные эксперименты, результатом которых является демонстрация возможности изменения волнового сопротивления в зависимости от дополнительных факторов.

В связи с тем, что линиями передачи, наиболее часто используемыми на печатных платах, являются микрополосковая и дифференциальная пара. В зависимости от размеров конструкции и от реализации на поверхности платы дополнительных технологических материалов, могут образоваться разные по структуре линии передачи, такие как загрубленная или частично заглубленная микрополосковая линия передачи. При нанесении на поверхность линии передачи специальных материалов образуется кусочно-неоднородная среда, так как материалы имеют свои собственные значения относительной диэлектрической проницаемости. Для расчёта волнового сопротивления необходимо знать эффективную диэлектрическую проницаемость среды, однако в случае, когда среда является кусочно-неоднородной, возникают трудности с подсчётом этих значений. Помимо этого, подтравы проводников линии передачи способны оказывать влияние на геометрические размеры самих проводников, соответственно, изменяются значения электрофизических параметров линий. Раньше, ширина проводников равнялась 0.15-0.20 мм, а изделие работало на частоте в десятки и сотни мегагерц, подтравы не оказывали столь большого влияния, поэтому ими пренебрегали. В наши дни, в связи с постоянным развитием электроники, ширина проводника приближается к значению его же толщины, а частоты, на которых функционирует изделие, возросло до десятков гигагерц, подтравы оказывают значительное влияние на характеристики линии передачи, поэтому их необходимо учитывать.

С помощью программного комплекса ELCUT, в работе [4] реализовано моделирование электростатических полей, в основе которого лежит метод конечных элементов, являющийся одним из самых эффективных и подходящих для инженерных задач методов. Такой метод основывается на разделении области, в которой ищется решение, на конечное число элементов. Если эти подобласти меньше, то точнее будет описание, однако вычисления окажутся более трудоёмкими.

Рассмотрим усовершенствованные методы расчета волнового сопротивления:

1. Микрополосковая линия передачи без учёта подтравов печатной платы.

Как видно, помимо основных четырех факторов, упомянутых в формуле стандарта IPC-2141A, добавляются ещё несколько, название которых указано в табл.2.

Таблица 2 - Факторы, влияющие на волновое сопротивление

Уточненная формула для расчёта волнового сопротивления микрополосковой линии передачи без учёта подтравы печатной платы выглядит следующим образом:

2. Микрополосковая линия передачи с учётом подтравов печатных проводников.

Помимо всего вышеперечисленного, в данном случае также рассматривается влияние заливочного компаунда и подтравов печатных проводников на волновое сопротивление линии передачи. Изменение подтравов вызвано варьированием величины ширины верхней и нижней поверхности проводника (табл. 3).

Таблица 3 - Факторы, влияющие на волновое сопротивление

Волнового сопротивление микрополосковой линии передачи в кусочно-неоднородной среде с учётом подтравы печатной платы:

Где х1-х11 - натуральные значения влияющих факторов.

3. Дифференциальная пара

Рис. 6 - Сечение дифференциальной пары, где 1,2 - дифференциальная пара, 3 - одиночный проводник

Проведенный в работе [4] анализ позволил выявить дополнительные факторы, влияние которых следует исследовать при расчете волнового сопротивления (табл.4). Большинство факторов не учтены в действующем международном стандарте IPC-2141A.

Таблица 4 - Факторы, влияющие на дифференциальную пару

Уточненная формула для расчёта дифференциальной пары микрополосковой линии:

1.10 Полосковая линия

Полосковая линия использует плоскую полоску металла, которая зажата между двумя параллельными плоскостями заземления. Изоляционный материал подложки образует диэлектрик. Ширина полосы, толщина подложки и относительная диэлектрическая проницаемость подложки определяют характеристическое сопротивление линии передачи. Центральный проводник не должен быть равномерно расположен между плоскостями заземления. В общем случае диэлектрический материал может быть различным выше и ниже центрального проводника.

Рис. 7 - Конструкция симметричной полосковой линии

Чтобы предотвратить распространение нежелательных режимов, две плоскости заземления должны быть закорочены вместе. Это обычно достигается путем ряда переходов параллельно полосы на каждой стороне.

Из-за хорошей изоляции между смежными слоями у полосковой линии не существует частоты выключения и отсутствует дисперсия. Хоть и полосковая линия не может обеспечить такую же большую скорость распространения сигнала, как микрополосковая, однако она способна обеспечить высокую помехозащищенность. Волна в такой структуре распространяется исключительно в подложке, поэтому эффективная диэлектрическая проницаемость равна относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Итак, полосковая линия - система двух и более проводящих полос, вдоль которых распространяется сигнал.

Достоинства полосковых линий передачи:

1. Применение возможно практически во всех узлах СВЧ.

2. Устройства, основанные на полосковых линиях, имеют меньший вес в отличие от устройств, основанных на волноводных линиях.

3. Высокая рабочая полоса частот.

Недостатки:

1. Мощность меньше, чем у волновода.

2. Потери выше, чем у волновода.

3. Сложность в конструировании некоторых устройств (измерительная линия, согласованная нагрузка и т.д.)

4. Измерения усложняются.

Различные типы полосковых линий передачи и соответствующие формулы волнового сопротивления:

Полосковая линия

Заглубленная полосковая линия

Двойная полосковая линия

Несимметричная полосковая линия

1.11 Рекомендации по проектированию линий передачи с контролируемым волновым сопротивлением

Проанализировав формулы для различных видов линий передачи, можно сделать несколько замечаний.

Задержка распространения сигнала, перекрестные помехи и помехи переключения - всё это учитывается при проектировании линий передачи с контролируемым волновым сопротивлением. Волновое сопротивление в зависимости от конструкции обычно выбирают 50-70 Ом. Если взять более низкое значение, то может возникнуть такое явление как перекрестная помеха, когда сигнал одной линии создаёт нежелательный эффект в другой линии передачи, а также будет увеличиваться потребляемая мощность в связи с рассогласованием приемника. Волновые сопротивления в пределах своего оптимального диапазона 50-70 Ом способны не только работать с перекрестной помехой, но и повышать электромагнитную устойчивость, иметь маленький уровень ЭМИ (электромагнитных излучений).