Linea a microstriscia: differenze tra le versioni

Versione delle 11:06, 30 mar 2021

Versione attuale delle 06:28, 13 mar 2025

(7 versioni intermedie di 5 utenti non mostrate)

Riga 1:

[[File:microstrip geometry.svg|thumb|Sezione di una linea a microstriscia. Il conduttore (A) è separato dal piano di massa (D) dal substrato dielettrico (C); il dielettrico superiore (B) può essere aria o materiale plastico.]]

Le '''linee a microstriscia''', comunemente chiamate ''microstrip'', sono un tipo di [[guida d'onda]] impiegate nell'[[elettronica]] per la propagazione guidata di [[radiazione elettromagnetica|onde elettromagnetiche]] nella gamma delle microonde o su frequenze ancora superiori, che si possono realizzare tramite [[fotoincisione]] o [[Litografia (elettronica)|fotolitografia]]. Sono costituite da un piano di massa [[metallo|metallico]] e da una striscia di materiale [[Conduttore elettrico|conduttore]] di larghezza minore, separati da uno strato di materiale [[isolante elettrico|materiale dielettrico]].

La microstriscia fu sviluppata dai laboratori ITT in competizione con la tecnologia stripline (pubblicata da Grieg ed Engelmann negli atti IRE del dicembre 1952<ref>{{Cita pubblicazione|cognome=Grieg|nome=D. D.|coautori=Engelmann, H. F.|data=dicembre 1952|titolo=Microstrip-A New Transmission Technique for the Klilomegacycle Range|rivista=Proceedings of the IRE|volume=40|numero=12|pp=1644–16501644-1650|issn=0096-8390|doi=10.1109/JRPROC.1952.274144}}</ref>).

Molti componenti di circuiti a microonde, come [[antenna|antenne]], [[accoppiatore direzionale|accoppiatori]], [[filtro a elementi distribuiti|filtri]], [[divisore di potenza|divisori]] ecc. possono essere realizzati con microstrisce, dove il dispositivo è costituito solo da metallizzazioni sul substrato: questo rende i circuiti a microstriscia meno costosi, più compatti e più leggeri delle loro controparti in guida d'onda metallica tradizionale. Gli svantaggi d'altro canto sono maggiori perdite e potenze molto più basse. Inoltre, poiché il [[campo elettromagnetico]] in una microstriscia è aperto, e non confinato in una data regione, i circuiti che la impiegano possono avere problemi di intermodulazione e irradiazione di segnale.

In linea di massima un circuito a microstriscia può essere costruito anche su un normale circuito stampato, a un costo irrisorio; purtroppo il materiale dei PCB standard ha perdite troppo alte e soprattutto una costante dielettrica troppo poco uniforme, il che determina una pessima qualità dei dispositivi. Per questo si preferisce usare dei substrati in [[allumina]]. Su scala più piccola, linee di trasmissione a microstriscia sono costruite anche nei [[circuiti integrati]]; sono usate anche nei PCB di circuiti digitali ad alta velocità quando dei segnali hanno bisogno di essere trasportati da una parte all'altra del circuito con la minima distorsione e minime perdite.

Riga 13:

* La guida d'onda a microstriscia non può supportare la propagazione di una vera onda TEM, ma ogni campo in propagazione lungo di essa dovrà contenere tutte e sei le componenti del campo elettromagnetico<ref name="denlinger1971">E. J. Denlinger, “A frequency dependent solution for microstrip transmission lines”; ''IEEE Trans. Microwave Theory Tech.'', vol. MTT-19, pp. 30-39, Jan. 1971.</ref>. Tuttavia se la lunghezza d'onda del campo in propagazione è grande rispetto alle dimensioni (larghezza e altezza) della guida, le componenti longitudinali dei campi possono essere trascurate: si parla allora di modo dominante '''quasi-TEM'''.

* La guida d'onda a microstriscia è [[dispersione (ottica)|dispersiva]]. Al crescere della frequenza, la costante dielettrica efficace della guida si avvicina sempre più a quella del substrato, e la [[velocità di fase]] diminuisce poco a poco<ref name="denlinger1971"/><ref name="cory1981">H. Cory, “Dispersion characteristics of microstrip lines”; ''IEEE Trans. Microwave Theory Tech.'', vol. MTT-29, pp. 59-61, Jan. 1981.</ref>.

* Anche l'impedenza caratteristica della guida varia con la frequenza. In più le impedenze dei modi non-TEM non sono univocamente definite, ma possono variare con la frequenza: aumentare, diminuire, o perfino assumere andamenti non monotoni, in accordo con la definizione di impedenza che si adotta<ref name="bianco1978">B. Bianco, L. Panini, M. Parodi, and S. Ridetlaj “Some considerations about the frequency dependence of the characteristic impedance of uniform microstrips”: ''IEEE Trans. Microwave Theory Tech.'', vol. MTT-26, pp. 182-185, March 1978.</ref>. In tutte le definizioni però ci si riferisce sempre all'impedenza al limite minimo di frequenza della microstriscia come "impedenza caratteristica quasi-statica", ed è unica per tutte le definizioni.

* L'impedenza d'onda varia spostandosi lateralmente nella microstriscia.

== Impedenza caratteristica ==

Un'espressione approssimata in forma chiusa per l'[[impedenza caratteristica]] di una linea a microstriscia fu trovata da [[Harold Alden Wheeler|Wheeler]]:<ref>H. A. Wheeler, “Transmission-line properties of parallel wide strips by a conformal-mapping approximation”, ''IEEE Trans. Microwave Theory Tech.'', vol. MTT-12, pp. 280-289, May 1964.</ref><ref name="wheeler1965">H. A. Wheeler, “Transmission-line properties of parallel strips separated by a dielectric sheet”, ''IEEE Tran. Microwave Theory Tech.'', vol. MTT-13, pp. 172-185, Mar. 1965.</ref><ref name="wheeler1977">H. A. Wheeler, “Transmission-line properties of a strip on a dielectric sheet on a plane”, ''IEEE Tran. Microwave Theory Tech.'', vol. MTT-25, pp. 631-647, Aug. 1977.</ref>:

:<math>Z_\textrm{microstrip} = \frac{Z_{0}}{2 \pi \sqrt{2 (1 + \varepsilon_{r})}} \mathrm{ln}\left( 1 + \frac{4 h}{w_\textrm{eff}} \left( \frac{14 + \frac{8}{\varepsilon_{r}}}{11} \frac{4 h}{w_\textrm{eff}} + \sqrt{\left( \frac{14 + \frac{8}{\varepsilon_{r}}}{11} \frac{4 h}{w_\textrm{eff}}\right)^{2} + \pi^{2} \frac{1 + \frac{1}{\varepsilon_{r}}}{2}}\right)\right),</math>

Riga 33:

# <math>w \ll h</math>, <math>\varepsilon_{r} \gg 1.</math>

Nella quasi totalità degli altri casi, l'errore di impedenza è minore dell'1%, ed è comunque sempre minore del 2%.<ref name="wheeler1977"/>. Coprendo tutti i casi geometrici in una sola formula, Wheeler 1977 migliora il suo lavoro Wheeler 1965<ref name="wheeler1965"/> che dava una formula per <math>w / h > 3.3</math> e un'altra per <math>w / h \le 3.3</math> (introducendo quindi una discontinuità nei risultati <math>w / h = 3.3</math>). Nondimeno, l'articolo del 1965 è quello citato più spesso. Altri autori hanno proposto un certo numero di formule approssimate differenti per l'impedenza caratteristica; tuttavia la maggior parte di queste sono applicabili solo per una gamma limitata di rapporti larghezza-altezza oppure coprono l'intera gamma un pezzo alla volta.

== Curve ==

Per poter costruire un circuito completo in microstriscia è prima o poi necessario che il suo cammino cambi direzione; però una curva secca a gomito (90°) in una microstriscia provoca una riflessione all'indietro quasi totale del segnale, e solo una piccola parte riuscirà a superare la curva. Affinché la maggior parte del segnale venga trasmesso lungo un percorso curvo, il raggio di curvatura di questo deve essere almeno tre volte la larghezza della striscia.<ref>T.H. Lee, Planar Microwave Engineering; ''Cambridge University Press'', pp. 173-174, 2004.</ref>. Tuttavia una tecnica molto più comune, soprattutto perché usa meno spazio, è di usare una curva smussata.

[[File:microstrip-bend.svg|thumb|left|Curva di microstriscia smussata a 90°. La percentuale di smussatura è 100x/d.]] In prima approssimazione, una curvatura brusca non smussata si comporta come una capacità di shunt messa fra il piano di massa e la curva stessa; smussare la curva riduce l'area di metallizzazione e rimuove l'eccesso di capacità. La percentuale di smussatura è la frazione di diagonale fra gli angoli interni ed esterni della curva non smussata.

La smussatura ottimale per una vasta gamma di geometrie di microstrisce è stata determinata sperimentalmente da Douville e James.<ref name="douville1978">R. J. P. Douville and D. S. James, Experimental study of symmetric microstrip bends and their compensation; ''IEEE Trans. Microwave Theory Tech.'', vol. MTT-26, pp. 175-182, Mar. 1978.</ref>. Essi hanno scoperto che una buona formula per la percentuale ottimale di smussatura è:

:<math>M = 100 \frac{x}{d} \% = (52 + 65 e^{- \frac{27}{20} \frac{w}{h}}) \%</math>

soggetto a <math>w/h \ge 0.25</math> e con una costante dielettrica di substrato <math>\varepsilon_{r} \le 25</math>. Questa formula è completamente indipendente da <math>\varepsilon_{r}</math>. La gamma di parametri per cui Douville e James indagarono sperimentalmente è <math>0.25 \le w/h \le 2.75</math> e <math>2.5 \le \varepsilon_{r} \le 25</math>. Essi riferiscono un [[VSWR]] migliore di 1.1 (cioè una riflessione migliore di −26&nbsp;dB) per ogni percentuale di smussatura entro il 4% (della <math>d</math>) originale) data nella formula. Al rapporto minimo <math>w/h</math> di 0.25, la percentuale di smussatura è 98.4%, cioè la striscia è quasi completamente tagliata.

Sia che le curve vengano smussate o arrotondate, la lunghezza elettrica del cammino risultante è leggermente più corta della lunghezza fisica della striscia.