Was Sie lernen werden
- Strukturelle Unterschiede zwischen Stripline und Microstrip sowie deren typische Einsatzbereiche
- Bedeutung und Einfluss der physikalischen Parameter auf die Leitungsimpedanz
- Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Impedanzberechnung in uSimmics (ehemals QucsStudio)
- Vorwärtsrechnung (Breite → Impedanz) und Rückwärtsrechnung (Impedanz → Breite)
- Praktische Hinweise für die Anwendung im realen PCB-Design
1. Was ist eine Stripline?
Eine Stripline ist eine Übertragungsleitungsstruktur, bei der ein Signalleiter (Trace) zwischen zwei Masseflächen (Ground Planes) eingebettet ist. Sie entspricht einer Signalführung in der Innenlage eines Mehrlagen-PCB.
Die charakteristische Impedanz wird im Wesentlichen durch folgende drei Parameter bestimmt:
- Leiterbreite W
- Relative Permittivität des Substrats εr
- Abstände H und h zwischen Leiter und Masseflächen
Vergleich: Stripline vs. Microstrip
| Eigenschaft | Stripline | Microstrip |
|---|---|---|
| Aufbau | Innenleiter zwischen zwei GND-Lagen | Außenleiter auf einer Seite + GND-Rückseite |
| EMV-Verhalten | Gut (geringe Abstrahlung) | Schlechter (höhere Abstrahlung) |
| Impedanzstabilität | Hoch | Mittel |
| Fertigungskosten | Höher (Mehrlagentechnik erforderlich) | Niedriger (Doppelseitig ausreichend) |
| Zugänglichkeit | Gering (Innenlage) | Hoch (Außenlage, leicht zugänglich) |
Bei hohen Frequenzen und strengen EMV-Anforderungen wird die Stripline bevorzugt; für kostensensitive oder einfach modifizierbare Designs empfiehlt sich die Microstrip.
2. Bedeutung der charakteristischen Impedanz
Die charakteristische Impedanz Z₀ beschreibt das Verhältnis von Spannung zu Strom auf einer Leitung. Stimmen die Impedanzen von Quelle, Leitung und Last nicht überein (Impedanzfehlanpassung), entstehen Signalreflexionen mit folgenden Konsequenzen:
- Schwingneigung und Überschwingen am Empfangsende
- Erhöhte Übertragungsverluste
- Verschlechterung der Gesamtperformance
In der Hochfrequenztechnik (RF) wird üblicherweise 50 Ω als Systemimpedanz verwendet.
3. Impedanzberechnung in uSimmics (ehemals QucsStudio)
Beispiel-Substratspezifikation
Die folgenden Berechnungen beziehen sich auf ein PCB mit diesen Eigenschaften:
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Substratmaterial | FR-4 |
| Relative Permittivität εr | 4,5 |
| Verlustfaktor tanδ | 0,02 |
| Leitermaterial | Kupfer (Cu) |
| Leiterdicke T | 20 µm |
| Dielektrikumsdicke H | 0,9 mm |
| Leiterposition h | 0,44 mm |
| Zielimpedanz | 50 Ω |
Schritt 1: uSimmics (ehemals QucsStudio) starten und Berechnungswerkzeug öffnen
- uSimmics (ehemals QucsStudio) starten.
- Im Menü „Tools“ → „Line Calculation“ auswählen, um den Transmission Line Calculator zu öffnen.
- Im Dropdown „choice“ den Eintrag „Stripline“ wählen.
Schritt 2: Substratparameter eingeben (Properties)
Im Bereich „Properties“ werden die Substratparameter eingetragen:
| Parameter | Beschreibung | Eingabewert |
|---|---|---|
| εr (relative Permittivität) | Dielektrische Eigenschaft des Substrats. FR-4 typisch 4,5. Genauen Wert beim Substrathersteller prüfen. | 4,5 |
| tanδ (Verlustfaktor) | Maß für dielektrische Verluste. Beeinflusst Übertragungsverluste, nicht direkt die Impedanz. | 0,02 |
| Resistivity (spezifischer Widerstand) | Elektrischer Widerstand des Leiters. Für Kupfer: 1,72×10⁻⁸ Ω·m | 1,72e-8 |
| Conductor µr (relative Permeabilität) | Relative Permeabilität des Leiters. Für Kupfer: 1 | 1 |
| Roughness (Rauigkeit) | Oberfläche des Leiters. Ab GHz-Bereich durch Skin-Effekt relevant. | Substratabhängig |
| T (Leiterdicke) | Dicke des Signaltrace | 20 µm |
| H (Dielektrikumsdicke) | Gesamtdicke zwischen oberem und unterem GND-Plane | 0,9 mm |
| h (Leiterposition) | Abstand von unterer GND-Plane zur Mitte des Signaltrace | 0,44 mm |
Schritt 3: Frequenz einstellen
Im Bereich „Parameters“ die Analysefrequenz eingeben. Empfohlen wird eine repräsentative Frequenz aus dem geplanten Betriebsbereich.
Schritt 4: Impedanz berechnen und überprüfen
Im Bereich „Dimensions“ stehen zwei Berechnungsrichtungen zur Verfügung:
Vorwärtsrechnung (W → Z₀): Leiterbahnbreite W eingeben → Impedanz Z₀ wird berechnet.
Rückwärtsrechnung (Z₀ → W): Zielimpedanz Z₀ eingeben → erforderliche Leiterbahnbreite W wird berechnet.
Für die oben genannte Substratspezifikation ergibt die Berechnung eine Leiterbahnbreite von 358 µm für eine Leitungsimpedanz von 50 Ω.
4. Hinweise für die praktische Anwendung
- Die Berechnungsergebnisse sind Theoriewerte; in der realen PCB-Fertigung entstehen prozessbedingte Toleranzen.
- Durch das Ätzverfahren (Subtractive Process) entsteht ein trapezförmiger Leiterquerschnitt (Undercut), der zu Abweichungen zwischen Berechnung und Messung führen kann (Details im verlinkten Artikel).
- Die Permittivität des Substrats variiert mit Temperatur, Feuchtigkeit und Frequenz – Designmargen sind daher einzuplanen.
- Ab einigen GHz hat die Leiterrauigkeit einen messbaren Einfluss auf die Übertragungsverluste.
5. Zusammenfassung
Mit dem Transmission Line Calculator von uSimmics (ehemals QucsStudio) lässt sich die charakteristische Impedanz von Striplines effizient berechnen. Durch präzise Substratparametereingabe und die Rückwärtsrechnungsfunktion lässt sich der PCB-Designprozess erheblich rationalisieren. Für hochwertige Hochfrequenzschaltungen ist es wichtig, die Diskrepanz zwischen theoretischer Berechnung und realer Fertigung zu kennen und Designmargen entsprechend einzuplanen.
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