Streifenleiter

HF-Baugruppe (Verstärker) mit Streifenleiter-Strukturen (u. a. zur Impedanzanpassung, als Bandpass, Bandsperre, Tiefpass); rechts unter der Blechlasche befindet sich ein Zirkulator

Streifenleitungen als umschaltbare Phasenschieber beziehungsweise Verzögerungsleitungen (Radartechnik)

Als Streifenleitung, englisch Microstrip, wird eine bestimmte Klasse von elektrischen Wellenleitern bezeichnet. Gemeinsam ist Streifenleitungen, dass sie aus einem oder mehreren dünnen, leitfähigen Streifen bestehen, die auf einem Dielektrikum aufgebracht sind. Streifenleiterstrukturen können z. B. aus in einer Ebene angeordneten Leitungsstreifen bestehen, sie sind oft isoliert in oder über einer metallischen Fläche angeordnet.

Ihr Einsatzgebiet ist die Hochfrequenztechnik und dort vor allem der Bereich der Mikrowellen – mit Streifenleitungen lassen sich kostengünstig und reproduzierbar definierte Impedanzen in Schaltungen zur Fortleitung, Kopplung und Filterung hoher Signalfrequenzen herstellen.

Auch die Speisung und die Strahlerelemente von Antennen können als Streifenleiter ausgebildet sein (siehe auch Panelantenne, Spiralantenne, Wendelantenne, Patchantenne).

Synonyme und Abgrenzung gegen andere Begriffe

Häufig wird der englische Ausdruck Stripline verwendet, manchmal auch der Ausdruck Microstrip, der jedoch eine besondere Bauform bezeichnet. Der Begriff Streifenleitung und die Beschreibung der Bauform lässt zunächst vermuten, dass es sich allgemein bei gedruckten Schaltungen (Leiterplatten) um Streifenleitungen handelt. Vom Aufbau gleichen die Leiterbahnen grundsätzlich Streifenleitern, jedoch werden nur letztere als Wellenleiter dimensioniert und betrieben, was für gedruckte Schaltungen bzw. Leiterplatten nicht allgemein gilt.

Da die Bauform der Mikrostreifenleitung die weitaus häufigste ist, werden die Begriffe oft gleichgesetzt. Dabei werden aber andere Bauformen wie z. B. die Koplanarleitung ausgeklammert. Deshalb ist eine Trennung der Begriffe angebracht.

Eigenschaften als Wellenleiter

Streifenleitungen sind so dimensioniert, dass sich in der Regel nur Quasi-TEM-Wellen ausbreiten können. Diese lassen sich mit einigen Vereinfachungen nahezu wie TEM-Wellen betrachten: sowohl die elektrischen als auch die magnetischen Felder verlaufen fast ausschließlich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, wie dies auch in Koaxialleitungen oder Zweidrahtleitungen der Fall ist. Bedingung ist hierfür, dass die Quer-Abmessungen der Leitungen klein gegenüber der Wellenlänge sind.
Streifenleitungen werden nur für kurze Entfernungen innerhalb von Baugruppen eingesetzt.

Der Vorteil von Streifenleitungen besteht darin, dass sie sich preiswert, reproduzierbar und materialsparend fertigen lassen. Das ist besonders bei komplexen Schaltungen von Bedeutung, in denen auch weitere, aus Streifenleitungen bestehende, Bauelemente vorkommen.
Ein weiterer Vorteil liegt in der geringen Feldausbreitung außerhalb der planaren Struktur, weshalb nur eine geringe Abstrahlung von Wellen in den Raum auftritt. Daher können in Streifenleitertechnik gefertigte Hochfrequenzschaltungen oft auch ohne allseitig geschlossenes Gehäuse bzw. ohne einzelne, getrennte Kammern betrieben werden.

Durch Streifenleiter gespeiste Strahlerelemente (Rechtecke) einer Panelantenne; Die Streifenleiter haben definierte Breiten und Längen zur Impedanz- und Laufzeitanpassung

Die Wellenimpedanz einer Streifenleitung wird durch ihre Breite sowie durch die Dicke und die Dielektriziätszahl des Isolatorsubstrates festgelegt. Da die letzten beiden Größen in der Regel konstant sind, wird die Berechnung und Simulation von Streifenleiterschaltungen erleichtert. Ein Berechnungstool findet sich in ^[1].

Streifenleiterstrukturen werden außer für die Verarbeitung von Hochfrequenzsignalen auch in bzw. als Antennen eingesetzt. Sie bilden dabei oft auf einem gemeinsamen Substrat sowohl die speisenden und anpassenden Komponenten als auch die strahlenden Elemente selbst. Beispiele sind die Patchantenne, die Spiralantenne, die Panelantenne und auch Dipolantennen. Alle diese Antennen können komplett aus planaren Streifenleiterstrukturen gefertigt werden. Auch Wendelantennen werden häufig aus Streifenleitern gefertigt, hier sind sie jedoch um einen Zylinder oder Kegel gewunden. In allen diesen Fällen werden die Phasenlagen und Impedanzen der leitungsgebundenen Wellen durch Variation der Länge und Breite der Streifenleitungen dazu gebracht, dass sich deren Felder so überlagern, dass eine (oft gerichtete) Abstrahlung als Funkwellen stattfindet.

Bauformen

Es existiert eine Vielzahl an Bauformen, die unter Umständen auch kombiniert eingesetzt werden können. Dazu gehören:

• Mikrostreifenleitung
• Symmetrische Streifenleitung
• Symmetrische und unsymmetrische Koplanarleitungen
• Ungeschirmte und geschirmte Schlitzleitungen; zu letzteren – auch Finleitungen genannt – gehören
  • unilaterale Finleitung
  • bilaterale Finleitung
  • antipodale Finleitung
• Doppelbandleitung

Mikrostreifenleitung

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 meistens für den Transport und die 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 ab etwa 500 MHz in der Regel ungeeignet, da dessen Verlustwinkel zu groß ist.

Das Signal breitet sich zum Einen in dem Zwischenraum zwischen dem Streifenleiter und der 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.

Leitungswellenwiderstand

Für Mikrostreifenleitungen auf Leiterplatten lässt sich für bestimmte Fälle eine exakte Lösung für den Leitungswellenwiderstand (charakteristische Impedanz) angegeben, wobei die allgemeinste Form von H. Wheeler 1965 in folgender Form abgeleitet wurde ^[2]:

$Z_\textrm{Leitung} = \frac{Z_{0}}{2 \pi \sqrt{2 (1 + \varepsilon_{r})}} \mathrm{ln}\left( 1 + \frac{4 h}{w_\textrm{eff}} \left( \frac{14 + \frac{8}{\varepsilon_{r}}}{11} \frac{4 h}{w_\textrm{eff}} + \sqrt{\left( \frac{14 + \frac{8}{\varepsilon_{r}}}{11} \frac{4 h}{w_\textrm{eff}}\right)^{2} + \pi^{2} \frac{1 + \frac{1}{\varepsilon_{r}}}{2}}\right)\right)$

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

$w_\textrm{eff} = w + t \frac{1 + \frac{1}{\varepsilon_{r}}}{2 \pi} \mathrm{ln}\left( \frac{4 e}{\sqrt{\left( \frac{t}{h}\right)^{2} + \left( \frac{1}{\pi} \frac{1}{\frac{w}{t} + \frac{11}{10}}\right)^{2}}}\right)$

mit

Z₀ dem Freiraumwellenwiderstand ( ≈ 376,73 Ω ),

ε_r der Permittivitätszahl des Substrats,

w der Breite der Mikrostreifenleitung,

h der Dicke des Substrats und

t der Dicke der Metallisierung

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 meistens 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.

Symmetrische Streifenleitung

Im Gegensatz zur Mikrostreifenleitung ist der Leiterstreifen bei der symmetrischen Streifenleitung 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, kann von einem homogenen Dielektrikum gesprochen werden, was die Simulation von Schaltungen vereinfacht.

Symmetrische Streifenleitungen sind wegen der höheren Anzahl an Schichten schwieriger zu fertigen und werden daher selten alleine eingesetzt.

Koplanarleitung

Als Koplanarleitungen werden Streifenleiter bezeichnet, die sich in derselben Ebene befinden wie eine mit Masse verbundene metallisierte Fläche und von dieser nur durch eine Lücke getrennt sind. Alle leitfähigen Schichten liegen auf einer Seite eines durchgehenden Dielektrikums konstanter Dichte auf. Unter und über der Schaltung befindet sich Luft, durch die auch elektrische Feldlinien treten, weshalb das Medium als inhomogen betrachtet werden muss.

Viele Schaltungen bestehen aus Koplanarleitungen, unter deren Dielektrikum wie bei Mikrostreifenleitungen eine Massefläche vorhanden ist. Die obere, von Leitungen unterbrochene, sowie die untere, geschlossene Masseebene sind durch Durchkontaktierungen verbunden. Durch diese Kombination lassen sich Schaltungen herstellen, in denen nur geringe Wechselwirkungen zwischen den Leiterstrukturen sowie zur Umgebung auftreten.

Bauelemente in Streifenleiterschaltungen

Einfache Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren und Spulen lassen sich direkt durch besonders dimensionierte Streifen erzeugen. So haben lange, dünne Leiter eine induktive und breite, kurze eine kapazitive Wirkung. Neben diesen klassischen Bauelementen lassen sich noch weitere für die Hochfrequenztechnik typische Bauelemente direkt mit Streifen realisieren.
Dazu gehören:

• Sumpf (reflexionsfreier Abschluss)
• Impedanzanpassung, induktive oder kapazitive Kopplung
• Reflektor, Reihenschwingkreis, Parallelschwingkreis

Aus diesen Grundelementen lassen sich komplexere Funktionseinheiten herstellen:

• Richtkoppler
• Leistungsteiler
• Filter (Bandpass, Bandsperre, Hochpass, Tiefpass)
• Frequenzweichen
• Übertrager zur Aus- und Einkopplung, Potentialtrennung, Impedanz- oder Symmetrieanpassung

Diskrete Bauelemente, die auch auf normalen Platinen verwendet werden, können prinzipiell auch auf eine Mikrostreifenleiterschaltung gelötet werden, wenn man ihre Abmessungen und gegenseitige Beeinflussung berücksichtigt. Besonders geeignet sind SMD-Bauteile. Teilweise werden besonders gestaltete SMD-Bauformen eingesetzt. Das ist besonders bei aktiven Elementen wie Transistoren oder Dioden der Fall.

Quellen / Referenzen

1. ↑ http://www.microwaves101.com/encyclopedia/calmstrip.cfm Berechnungstools, u. a. für die Impedanz von Streifenleitungen
2. ↑ H. A. Wheeler, Transmission-line properties of parallel strips separated by a dielectric sheet in IEEE Tran. Microwave Theory Tech., Ausgabe MTT-13, Seiten 172-185, März 1965.

Siehe auch

• Lecherleitung
• Wellenimpedanz