Streifenleitung

Schnitt durch eine Mikrostreifenleitung. Der Leiter (A) ist von der Massefläche (D) durch das Substrat (C) getrennt. Das obere Dielektrikum (B) ist Luft.

Als Mikrostreifenleitungen werden Streifenleitungen bezeichnet, die aus einem leitfähigen Streifen bestehen, der durch ein dielektrisches Substrat von einer leitfähigen Fläche getrennt sind. Sie werden meist für Transport und Verarbeitung elektromagnetischer Wellen im Bereich zwischen einigen hundert Megahertz und etwa 20 Gigahertz eingesetzt.

Eine Mikrostreifenleitung besteht aus einem nicht leitenden Substrat (Leiterplatte), das auf der Unterseite vollständig metallisiert ist (Massefläche). Auf der Oberseite ist ein Leiter in Form eines Streifens (Leiterbahn), also mit definierter Querschnittsfläche, angeordnet. Dieser Streifen wird gewöhnlich durch Bearbeitung der oberen Metallisierung durch Ätzen oder Fräsen angefertigt.

Als Substrat dienen verschiedene Dielektrika. Sehr häufig eingesetzt wird glasfaserverstärktes PTFE (RT/Duroid). Für höhere Ansprüche wird Aluminiumoxid neben anderen keramischen Materialien verwendet. Das in der normalen Platinen-Herstellung übliche FR4 (glasfaserverstärktes Epoxidharz) ist bei Frequenzen oberhalb einiger GHz in der Regel ungeeignet, da dessen Verlustwinkel zu groß ist.

Das Signal breitet sich zum einen im Zwischenraum zwischen Streifenleiter und Massefläche aus. Zum anderen treten die Feldlinien auch in den freien Raum über dem Streifenleiter ein, der in der Regel mit Luft gefüllt ist. Man muss daher von einem inhomogenen Dielektrikum sprechen.

Ist der Streifenleiter unterbrochen, kann das Signal die Lücke unter bestimmten Bedingungen überspringen und sich danach weiter ausbreiten.

Dreidimensionale Ansicht eines Streifenleitungs-Ausschnitts. Das obere Dielektrikum ist Luft. Die Variablen sind in der Formel von H. Wheeler erläutert. Weitere Angaben:
${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ elektrische Feldkonstante,
${\displaystyle l}$ Länge der Streifenleitung.

Für Mikrostreifenleitungen auf Leiterplatten lässt sich für bestimmte Fälle eine exakte Lösung für den Leitungswellenwiderstand (charakteristische Impedanz) angeben, wobei die allgemeinste Form von H. Wheeler 1965 in folgender Form abgeleitet wurde:[4]

${\displaystyle Z_{\text{Leitung}}={\frac {Z_{0}}{2\pi {\sqrt {2(1+\varepsilon _{r})}}}}\ln \left(1+{\frac {4h}{w_{\text{eff}}}}\left({\frac {14+{\frac {8}{\varepsilon _{r}}}}{11}}{\frac {4h}{w_{\text{eff}}}}+{\sqrt {\left({\frac {14+{\frac {8}{\varepsilon _{r}}}}{11}}{\frac {4h}{w_{\text{eff}}}}\right)^{2}+\pi ^{2}{\frac {1+{\frac {1}{\varepsilon _{r}}}}{2}}}}\,\right)\right)}$

w_eff ist die effektive Breite der Leitung inklusive eines Korrekturfaktors für die Dicke der Metallisierung. Diese effektive Breite ist gegeben durch folgende Gleichung:

${\displaystyle w_{\text{eff}}=w+t{\frac {1+{\frac {1}{\varepsilon _{r}}}}{2\pi }}\ln \left({\frac {4e}{\sqrt {\left({\frac {t}{h}}\right)^{2}+\left({\frac {1}{\pi }}{\frac {1}{{\frac {w}{t}}+{\frac {11}{10}}}}\right)^{2}}}}\right)}$

Da ein Teil des elektrischen Feldes nicht im Dielektrikum der Leiterplatte verläuft, ergibt sich auch eine Abhängigkeit von der Leiterplattengeometrie. Dies wird ausgedrückt durch die effektive Permittivitätszahl, zur Ermittlung der physikalischen Länge der Leitung:

${\displaystyle \varepsilon _{re}={\frac {\varepsilon _{r}+1}{2}}+{\frac {\varepsilon _{r}-1}{2}}\cdot \left(1+10\cdot {\frac {h}{w}}\right)^{-0{,}555}}$

mit

${\displaystyle Z_{0}}$ dem Freiraumwellenwiderstand (${\displaystyle \approx 376{,}73~\Omega }$),

${\displaystyle \varepsilon _{re}}$ die effektive Permittivitätszahl,

${\displaystyle \varepsilon _{r}}$ der Permittivitätszahl des Substrats,

${\displaystyle w}$ der Breite der Mikrostreifenleitung,

${\displaystyle h}$ der Dicke des Substrats,

${\displaystyle t}$ der Dicke der Metallisierung und

${\displaystyle e}$ der eulerschen Zahl (nicht etwa der Elementarladung)

Obige Gleichung für den Leitungswellenwiderstand liefert unter folgenden Bedingungen asymptotisch exakte Werte:

1. w ≫ h, bei beliebigen ε_r
2. w ≪ h und ε_r = 1
3. w ≪ h und ε_r ≫ 1

Für alle anderen Fälle ist das Gleichheitszeichen in obiger Gleichung durch ein ≈ zu ersetzen und der Fehler der Näherung ist meist kleiner 1 % und garantiert kleiner 2 %.

Darüber hinaus existieren in der Literatur noch eine Reihe weiterer, meist einfacherer Näherungsgleichungen mit eingeschränkten Gültigkeitsbereichen für den Leitungswellenwiderstand von Mikrostreifenleitungen.

Querschnitt einer unsymmetrisch eingebetteten Leitung (offset stripline) A; B, D – Masseflächen; C – Dielektrikum

Im Gegensatz zur Mikrostreifenleitung ist der Leiterstreifen bei der symmetrischen Streifenleitung (englisch stripline) oben wie unten von einem gleich dicken Dielektrikum bedeckt und verläuft parallel zu zwei leitfähigen Schichten (Masse), die auf den Dielektrika aufgebracht sind. Da die elektrischen Feldlinien durch die vollständige Bedeckung mit leitfähigem Material oben und unten nicht in den freien Raum treten können, liegt ein homogenes Dielektrikum vor, was die Dispersion verringert. Die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit ist geringer als bei den anderen Bauformen.

Symmetrische Streifenleitungen sind wegen der höheren Anzahl an Schichten schwieriger zu fertigen u. a. da für Multilayer-Leiterplatten nur eingeschränkt gute Dielektrika zur Verfügung stehen.

Ist der Abstand zu beiden Masseflächen unterschiedlich, spricht man im Englischen von einer offset stripline.

Querschnitt einer Koplanarleitung

Als Koplanarleitungen werden Streifenleiter bezeichnet, die sich in derselben Ebene befinden wie eine mit Masse verbundene metallisierte Fläche (siehe Bild) und von dieser nur durch eine Lücke G getrennt sind. Alle leitfähigen Schichten liegen auf einer Seite eines durchgehenden Dielektrikums der Dicke H auf. Unter dem Substrat befindet sich Luft oder eine Massefläche. Über der Schaltung befindet sich bestenfalls ein dünner Decklack, sodass elektrische Feldlinien in die Luft treten, weshalb das dielektrische Medium inhomogen ist.

Die obere, von Leitungen unterbrochene, sowie die untere, geschlossene Masseebene sind durch Durchkontaktierungen verbunden. So lassen sich Schaltungen herstellen, bei denen nur geringe Wechselwirkungen zwischen den Leiterstrukturen sowie zur Umgebung auftreten.