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

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Фролов Максим Сергеевич, группа БИТ151

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ВОЛНОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ И СОЗДАНИЕ ВЕБ-ПРИЛОЖЕНИЯ НА ИХ ОСНОВЕ

Выпускная квалификационная работа бакалавра

по направлению 11.03.02. Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Студента образовательной программы бакалавриата "Инфокоммуникационные технологии и системы связи"

Москва 2019 г.



ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ В ПЕЧАТНОМ МОНТАЖЕ

1.1 Линия передачи

1.2 Классификация линий передач

1.3 Распространение сигнала в линии передачи

1.4 Волновое сопротивление и способы согласования

1.5 Линия передачи с контролируемым волновым сопротивлением

1.6 Основные факторы, влияющие на волновое сопротивление линии передачи

1.7 Микрополосковые структуры

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

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

1.10 Полосковая линия

1.11 Рекомендации по проектированию линий передачи с контролируемым волновым сопротивлением

2. РАЗРАБОТКА ВЕБ-РЕСУРСА

2.1 Обоснование выбора среды и инструментария для разработки интернет-ресурса

2.2 Структура веб-сайта

2.3 Метод построения веб-сайта по расчёту волнового сопротивления линий передач

2.4 Программная реализация расчёта волнового сопротивления

2.5 Тестирование и отладка веб-сайта

2.6 Рекомендации по использованию веб-ресурса

ВЫВОД

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

АННОТАЦИЯ

волновой сопротивление линия сайт

В наши дни развитие электроники идет с уклоном повышения быстродействия, что непременно ведет к увеличению сложности проектирования аппаратуры. Более того, на высоких частотах электрофизические параметры печатных плат могут меняться, что требует поиска новых методов разработки современных технологий.

В ходе данной работы были проанализированы существующие методы расчета волновых сопротивлений линий передачи быстродействующих систем, на основе которых был создан веб-ресурс, позволяющий оптимизировать процесс проектирования печатных плат. Более того, были приведены соответствующие рекомендации по применению.



ABSTRACT

Nowadays, the development of electronics is based on improving performance, which certainly leads to an increase in the complexity of the design of equipment. Moreover, at high frequencies the electrophysical parameters of printed circuit boards can change, which requires the search for new methods for the development of modern technologies.

In the course of this work, the existing methods of calculating the impendance of transmission lines of high-speed systems were analyzed, on the basis of which a web resource was created that allows to optimize the design process of printed circuit boards. Moreover, appropriate recommendations were proposed.



ВВЕДЕНИЕ

Все электронные системы генерируют сигналы, содержащие информацию. Эта информация может быть аналоговой, цифровой или смешанной.

Схемы принимают сигналы и выполняют некоторые операции. Эти операции могут быть разными: открыть дверь гаража; воспроизвести музыку в динамике; рассчитать значение числа р до пятидесяти знаков после запятой или отправить фотографию друзьям через Интернет. Всё это и определяет проблему, которая заключается в необходимости создания сигналов для передачи информации с высокой точностью, транспортировки этих сигналов в схемы, а затем использования их для выполнения операций. В то же время, важным условием для полноценного функционирования платы является предотвращение перекрестной помехи, когда сигнал одной линии связи создает нежелательные эффекты в другой линии.

Нельзя просто «взять» и «перенести» напряжение с одного места в другое, для этого необходимо создать и отправить энергию в виде электромагнитной волны через линию передачи. Понимание того, как ведут себя электромагнитные волны, имеет фундаментальное значение для успешного проектирования высокоскоростных электронных устройств.

Прогресс в электронике подтолкнул к созданию быстродействующей аппаратуры. Проектирование такой аппаратуры становится ещё более сложной задачей из-за появления новых проблем, таких как помехозащищенность, электромагнитная совместимость, усложненное согласование линии передачи из-за появления большого количества сигнальных путей, количество слоёв в печатной плате и ряда других тонкостей. Даже опытные инженеры, долгие годы проектирующие аппаратуру умеренного действия, не всегда способны быстро перестроиться к новым правилам по созданию быстродействующих устройств.

С течением времени, в мире быстродействующей электроники произошло разделение на два общих класса печатных плат: аналоговые и цифровые. В таблице 1 перечислены эти два класса и основные характеристики.

Таблица 1 - Сравнение печатных плат для аналоговых и цифровых устройств

	Аналоговые	Цифровые
Сложность схемы	Низкая	Очень высокая
Согласование	Точное согласование волнового сопротивления	Возможно расхождение
Потери	Плохая переносимость к потерям	Переносимость к потерям
Размеры	Малые размеры элементов цепи	Желательно наличие малых размеров элементов цепи
Количество слоёв	Обычно имеют 2 слоя	Большое количество слоёв

Были созданы инструменты проектирования, материалы и методы производства, которые оптимизированы для каждого основного класса печатных плат. Полезно сравнить эти два класса, чтобы увидеть, насколько они отличаются:

1) Сложность схемы.

Аналоговые схемы, как правило, относительно просты с несколькими компонентами. С другой стороны, цифровая электроника имеет схемы большего размера с немалым количеством различных компонентов. Такие схемы достаточно сложно проектировать, в то время как в аналоговых структурах основное внимание уделяется способности создавать сложные геометрические фигуры на одном или двух слоях.

2) Согласование волнового сопротивления.

В каждой точке вдоль линии передачи, где волновое сопротивление изменяется по какой-либо причине, часть энергии сигнала, движущегося по ней, возвращается обратно к источнику. В результате, энергии становится недостаточно, чтобы источник сигнала и приемник функционировали правильно. Для того чтобы добиться максимальной производительности в таких продуктах, как радиоприемники, делается все возможное, чтобы добиться необходимого для согласования значения волнового сопротивления линии электропередачи. Это не является нерешаемой задачей, поскольку существует всего несколько параметров, которыми необходимо управлять. В цифровых схемах всё гораздо сложнее. Существует так много сигнальных путей, которые функционируют как линии передачи, что невозможно достичь точного согласования на всех из них. Логические схемы сконструированы таким образом, что существует допуск на рассогласование волнового сопротивления. В то же время, нежелательно наличие произвольно большого количества несоответствий. Поэтому необходимо получить уровень согласования, достаточный для правильной работы. Одной из проблем, которые возникают при проектировании, является поиск того количества допусков несоответствия волнового сопротивления, при котором поддерживается достаточный уровень точности.

3) Потери.

Потери происходят из-за поглощения в диэлектрике и из-за скин-эффекта на высоких частотах. Поглощением в диэлектрике, или диэлектрическими потерями, можно управлять путём выбора теплоизоляционных материалов. Потери на скин-эффект связаны с протекающим в проводниках током, который на высоких частотах распределяется по сечению не равномерно, а вблизи поверхностного слоя. Потерь становится больше по мере увеличения частоты. Компенсируется покрытием наружных поверхностей проводников золотом для увеличения проводимости или увеличением ширины трасс для создания большей площади поверхности.

4) Размеры компонентов.

Все компоненты имеют свои паразитные параметры, такие как паразитная индуктивность или паразитная ёмкость. В условия повышенного быстродействия, когда компоненты должны работать быстрее, нежелательные параметры оказывают ещё большее влияние на производительность. Чем меньше размеры компонентов, тем меньшее влияние оказывают паразитные параметры.

5) Количество слоёв.

Всегда желательно иметь минимальное количество слоёв. В печатных платах аналоговых устройств, как правило, существует не более 3 слоёв, что уменьшает стоимость, а также время, затраченное на проектирование этой печатной платы. В свою очередь, быстродействующие цифровые конструкции не могут быть сделаны на 2 слоях из-за необходимости удержания большого количества сигнальных проводов или линий передачи.

6) Диэлектрические материалы

Диэлектрические материалы поддерживают линии передачи в печатной плате, увеличивая излишнюю паразитную емкость каждой передающей линии. Для того чтобы послать быстрые сигналы по линиям электропередач, необходима зарядка и последующая разрядка паразитной емкости. Чем больше паразитная емкость, тем больше энергии потребуется для выполнения данной операции. Поэтому желательно минимизировать этот паразитизм. Одним из подходов является использование материалов с низкой диэлектрической проницаемостью, таких как Teflon°. Работает в основном для двухслойных печатных плат. Однако логические схемы нуждаются в диэлектрике, который может выдерживать высокие температуры, быть габаритно стабилизированным и хорошо ламинироваться.

Безусловно, все вышеперечисленные характерные особенности печатных плат, как аналоговых, так и цифровых устройств, имеют большое значение при проектировании быстродействующей аппаратуры. Особенно повышенная сложность возникает при проектировании печатных плат для цифровой аппаратуры. В данной работе основное внимание будет уделено такой важной составляющей печатной платы как линия передачи. Без неё невозможна передача сигнала, значит и функционирование изделия в целом.

Чтобы предотвратить отражение сигнала и передать максимальную мощность, линия передачи должна быть согласована с приемниками и источником. Достичь этого можно, зная волновое сопротивление Z0 линии передачи. Это определяющий параметр, который должен быть посчитан с достаточной точностью и не иметь больших отклонений от номинальных значений.

Актуальность работы

К сожалению, отечественных источников по новым подходам к проектированию крайне мало, а зарубежная литература труднодоступна и разрознена. Поэтому поиск подходящих методов расчёта волновых сопротивлений для нужной линии передачи является достаточно длительным процессом. Существует небольшое количество зарубежных веб-сайтов, позволяющих производить подобного рода расчёты, однако, в связи с политической обстановкой в наши дни, возможна ситуация, когда все эти веб-ресурсы окажутся недоступны. Более того, отсутствие информации о том, какие используются формулы на зарубежных сайтах, ставит инженеров в сложное положение. В большинстве случаев, им приходится производить довольно сложные и трудоёмкие расчёты вручную, что является не самым рациональным использованием трудового времени. Отсюда следует цель данной работы.

Цель работы

Основной целью данной работы является создание максимально удобных условий инженерам-проектировщикам для разработки печатных плат путём обеспечения доступа к web-ресурсу, позволяющему производить расчёты волновых сопротивлений для различных типов линий передачи. Основное отличие выполненного в ходе этой работы web-ресурса от зарубежных является наличие в нём не только формул действующих стандартов, но и уточненных формул, полученных в работе [4], позволяющих учитывать дополнительные конструктивно-технологические особенности.

Задачи работы

Чтобы достичь поставленной цели в данной работе решаются задачи, изложенные ниже:

Анализ литературных источников.

Разработка методики расчёта волновых сопротивлений

Обоснование инструментария для создания веб-ресурса

Разработка веб-сайта

Тестирование и отладка

Разработка рекомендаций, в том числе для внедрения в учебный процесс.



1. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ В ПЕЧАТНОМ МОНТАЖЕ

1.1 Линия передачи

Линия передачи - система прямых и обратных проводников, расположенных в непосредственной близости друг от друга, создающих электромагнитное поле, которое распространяется в системе от источника к приемнику. Алгебраическая сумма токов прямых и обратных проводников равна нулю.

По линиям передачи, формирующимся на печатных платах, распространяются Т-волны, являющимися плоскими электромагнитными волнами, поскольку размеры поперечного сечения линий, реализованных на платах, намного меньше минимальных длин волн, даже включая гигагерцовый диапазон частот. Направленный от источника к приемнику ток является прямым, в противном случае - обратным. Количество прямых и обратных проводников неограниченно. Слой питания и заземления в печатной плате может выступать в качестве обратного проводника.

При распространении сигнала по линии передачи, между прямым и возвратным проводниками формируется электромагнитное поле, поэтому в линии передачи важную роль играют оба проводника.

Скорость распространения сигнала в линии передачи определяется свойствами материалов, которые используются в конструкции. В большинстве случаев, используются материалы, не имеющие ярко выраженных магнитных свойство, поэтому скорость распространения сигнала в линии передачи определяется диэлектрической проницаемостью диэлектриков.

Связанный с сигналом ток можно всегда можно рассчитать, зная волновое сопротивление.



1.2 Классификация линий передач

Если поперечное сечение линии неизменно вдоль всей ее длины, то такая линия передачи называется однородной.

Однородные линии передачи входят в состав печатных плат с управляемым волновым сопротивлением.

Примеры однородных линий передачи представлены на рис.1.

Рис. 1 - Линии передачи

Для быстродействующей цифровой аппаратуры все соединения и линии передачи должны быть однородными.

Основное отличие неоднородных линий от однородных заключается в изменении их размеров и свойств вдоль линии передачи. Классическим примером неоднородной линии является такая конструкция, когда размеры двух проводников непостоянны и расстояние между ними меняется. Односторонние печатные платы, не имеющие возвратного проводника, также являются неоднородными. Основная проблема неоднородных линий передачи заключается в целостности сигнала, передаваемого по ним. Подобного рода линии являются нежелательными, при проектировании печатных плат их стараются избегать. Если создание однородности в линии по каким-либо причинам невозможно, то для сохранения целостности сигнала неоднородную линию передачи необходимо уменьшить в длине.

Также, важным фактором, оказывающим влияние на печатную плату, является то, насколько прямой и обратный проводники в линии передачи разнятся. Если они одинаковы по форме и длине, то такая конструкция линии передачи называется симметричной, в противном случае - несимметричной. Примерами симметричной являются некоторые виды копланарных линий и витая пара.

Представителем несимметричной линии является коаксиальный кабель, т.к. центральный проводник всегда отличается от внешнего по форме. Большинство типов линий передачи являются несимметричными, не исключением стали полосковые и микрополосковые линии.

Задача линии передачи заключается в переносе сигнала от источника к приемнику. В отличие от свойства однородности линии, симметричность практически не влияет на целостность сигнала, кроме конструкций с дифференциальной парой, поэтому при проектировании для большинства печатных плат симметричность линии передачи не является определяющей составляющей.

1.3 Распространение сигнала в линии передачи

В первую очередь скорость сигнала при прохождении по линии передачи зависит от технологических материалов не только диэлектрика, но и других конструктивных составляющих (паяльная маска, влагозащитное покрытие) почти каждой печатной платы.

Существует зависимость скорости распространения сигнала и скоростью формирования изменяющихся электрических и магнитных полей, которые находятся между прямым и возвратным проводниками, и распространение их в диэлектрике.

Назначение возвратного проводника заключается в создании магнитного поля. Поле возникает из-за тока, протекающего вдоль него.

Распространение электромагнитной волны определяется некоторыми свойствами материалов, на которые действует электрическое и магнитное поля.

Формула для расчёта скорости распространения сигнала в общем виде выглядит следующим образом:

В ней учитываются относительная диэлектрическая проницаемость и относительная магнитная проницаемость материала, а также присутствуют диэлектрическая и магнитная постоянные. Стоит отметить, что такая методика расчёта действительна для распространения сигнала в произвольной однородной среде, здесь не учитываются другие технологические покрытия печатных плат.

Зависимость скорости света и скорости распространения волны в линии передачи:

Как видно из формулы, скорость распространения волны в линии передачи будет меньше, чем скорость света, потому что относительная проницаемость диэлектриков всегда будет больше «1» (показатель относительной проницаемости воздуха). Существует вполне определенный диапазон значений относительной диэлектрической проницаемости материала, который используют при проектировании печатных плат: относительная диэлектрическая проницаемость в большинстве случаев находится в промежутке от «4» до «6», и никогда не выходит за рамки «16», потому что при очень большом значении диэлектрической проницаемости скорость распространения сигнала будет существенно ниже. Вышеупомянутые условия подходят для всех типов линии передачи.

На практике, в кусочно-однородных диэлектрических средах высчитывают эффективную диэлектрическую проницаемость, которую используют вместо диэлектрической проницаемости материала. Есть упрощенная методика расчёта эффективной проницаемости микрополосковой линии:

,

где еr - диэлектрическая проницаемость материала.

Расчёт по данной формуле выявит одинаковые значения эффективной диэлектрической проводимости для всех размеров проводника, однако такой метод позволит найти лишь приближенное значение, поскольку ширина и толщина проводника также вносят свои коррективы в значение эффективной диэлектрической проницаемости. Для того чтобы факторы размеров учитывались при подсчёте, вводят специальный поправочный коэффициент ke:

,

где hms - толщина подложки; w - ширина проводника; еr - диэл. проницаемость

Соответственно, зная поправочный коэффициент, можно усложнить формулу подсчёта скорости ЭМ волны:

Даже в однородной среде диэлектрическая проницаемость может меняться в зависимости от частоты, из чего следует, что скорость ЭМ волны в материале также может зависеть от частоты. В большинстве случаев, при увеличении частоты диэлектрическая проницаемость снижается, следовательно, скорость в материале увеличивается. Однако наиболее часто используемым материалом в печатных платах является стеклотекстолит, его значения диэлектрической проницаемости меняются очень слабо, даже в интервалах в несколько ГГц (диапазон значений варьируется в пределах от 4 до 6). Проанализировав метод расчёта скорости сигнала на линиях передачи, можно сделать вывод, что в проводниках на печатных платах скорость ЭМ волны приблизительно в 2 раза меньше скорости света.

1.4 Волновое сопротивление и способы согласования

Волновое сопротивление - одно из важнейших электрических параметров, которое должно быть определено с необходимой точностью при разработке быстродействующих устройств. Волновое сопротивление не зависит от длины линии. Для большинства линий передачи в печатных платах волновое сопротивление равняется 50 Ом.

Выбор материалов для печатных плат ограничен, а сопротивление управляется за счет изменения удельной емкости.

Однородные линии передачи, волновое сопротивление которых заранее известно, называются линиями с контролируемым волновым сопротивлением.

Все быстродействующие узлы должны быть сделаны на платах с волновым сопротивлением, которое можно контролировать.

Изменение волнового сопротивления может достигаться путём изменения размеров элементов сечения, за счёт которых изменяется емкость и индуктивность линии передачи.

Чтобы согласовать линии передачи, в схему нужно добавить специальные резисторы.

Способы согласования линии передачи печатных плат:

«Классическое» ВЧ согласование:

Рис. 2 - Классическое ВЧ согласование

Данный вид предусматривает согласование линии передачи с двух сторон. Такой способ является единственным возможным решением, однако принимаемый сигнал может уменьшаться вдвое. Таким образом, при проектировании используется вариант, когда источник является низкоомным, а приемник, наоборот, высокоомным. Соответственно, согласование линии происходит только с одной стороны, позволяя сохранять уровень сигнала, выпускаемый источником, неизменным на приёмнике. Также, в данной конструкции в СВЧ-технике неплохим решением для инженеров является добавление реактивных компонентов и даже изменение длины проводника.

Последовательное согласование:



Рис. 3 - Последовательное согласование

При последовательном согласовании, сопротивление выхода и волновое сопротивление линии совпадает. Преимущество: малая мощность.

3. Параллельное согласование (Шунт)

Рис. 4 -Разновидности параллельных согласований

Данная конструкция используется при подключении сразу нескольких выходов к линии передачи.

Волновое сопротивление является одним из самых важных параметров линии передачи, поэтому необходима достаточно точная и современная методика расчёта волнового сопротивления для различных конфигураций линий передачи, а также вне зависимости от используемого способа согласования.



1.5 Линия передачи с контролируемым волновым сопротивлением

Основная концепция при разработке состоит в том, что волновое сопротивление линии передачи должно быть известно, и линия передачи должна быть согласована с полным сопротивлением нагрузки, чтобы уменьшить отражение волн.

Волновое сопротивление линии передачи аналогично сопротивлению постоянного тока, выражаемого законом Ома. В современных цепях волновое сопротивление линии передачи рассчитывают похожим образом, как отношение напряжения к току, текущему по проводнику при заряде элементарных емкостей при распространении фронта волны. Отличие лишь в том, что при высоких частотах, отношение связано с током за период времени до достижения фронтом импульса напряжения следующего компонента. Согласно этому, количество электрического тока, необходимого для распространения сигнала по линии передачи, зависит от волнового сопротивления. Это необходимо учитывать и соответственно распределять приемники в цепи согласно вытекающим правилам размещения.

Возникновение отражений сигнала в линии передачи может возникать не только из-за несогласованности, но и за счёт неоднородностей по пути сигнала. Отражения являются нежелательным фактором, они не только уменьшают уровень напряжения, но и способны генерировать шум, что приводит к сбою системы из-за недостатка напряжения или появлению помехи.

1.6 Основные факторы, влияющие на волновое сопротивление линии передачи

В различных видах линии передачи действуют свои зависимости волнового сопротивления от других параметров, однако стоит выделить самые важные из них:

1. Ширина диэлектрика.

2. Относительная диэлектрическая проницаемость.

Существование слоя между опорной цепью и проводником уже позволяет говорить об относительной диэлектрической проницаемости, так как этот слой обязательно должен быть выполнен из какого-либо материала. Данный параметр определяется как отношение диэлектрической проницаемости материала к диэлектрической проницаемости свободного пространства (по определению равное 1). Достаточно часто применяется в технике, несмотря на потенциально возможные изменения значений в зависимости от частоты, температуры или количества влаги в материале, а также, относительная диэлектрическая проницаемость в слоистом диэлектрике может зависеть от каждой компоненты.

Ширина проводника.

Ширина проводника связана с толщиной диэлектрического слоя. Для практически всех разновидностей линий передачи невозможны случаи, когда ширина проводника слишком мала, а толщина диэлектрического слоя достаточно большая, или наоборот.

Толщина проводника.

Также, имеет прямое отношение к волновому сопротивлению.

Стоит отметить, что каждый из вышеперечисленных параметров по-разному влияет на волновое сопротивление, для каждой линии передачи существуют свои уникальные формулы. В связи с геометрическими, технологическими и эксплуатационными особенностями задачи расширяются, и вдобавок к названным параметрам может добавиться ещё целый перечень из десятков параметров, влияющих на волновое сопротивление линии передачи. Соответственно, помимо того, что задача по нахождению волнового сопротивления является одной из самых важных, она становится ещё и одной из самых сложных.



1.7 Микрополосковые структуры

Микрополосковая линия передачи -- это такая линия передачи, которая передает сигнал в воздушной или диэлектрической среде вдоль двух и/или более проводников, состоящих из тонких полосок и пластин.

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

	Факторы	Минимальное значение	Максимальное значение	Оптимальное значение
1	Толщина подложки hподл, мм	0.012	2	0.3
2	Относительная диэлектрическая проницаемость подложки eподл	2	6	4
3	Ширина проводника w	0.025	2	0.3
4	Толщина проводника hпров, мм	0.005	0.3	0.036
5	Толщина маски паяльной hпм, мм	0.01	0.25	0.03
6	Относительная диэлектрическая проницаемость паяльной маски eпм	2	5	3
7	Толщина влагозащиты hвл, мм	0.01	0.5	0.1
8	Относительная диэлектрическая проницаемость покрытия, защищающего от влаги eвл	2	7.8	2.5

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

	Факторы	Мин. значение	Макс.значение
1	Ширина верхней части проводника, мкм	30	70
2	Ширина нижней части проводника, мкм	30	70
3	Диэлектрическая проницаемость стеклотекстолита	4.5	5
4	Толщина стеклотекстолита, мкм	45	130
5	Толщина проводника, мкм	18	30
6	Диэлектрическая проницаемость специального влагозащитного покрытия	3.5	5.5
7	Толщина влагозащитного покрытия, мкм	30	65
8	Толщина паяльной маски, мкм	30	80
9	Диэлектрическая проницаемость паяльной маски	3.5	5.5
10	Диэлектрическая проницаемость заливочного компаунда	2.5	5
11	Толщина слоя заливочного компаунда, мкм	1500	3500

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

Кодовое обозначение фактора	Условное обозначение фактора	Название фактора	Натуральные значения факторов	Учет влияния фактора в формулах IPC-2141A
X1	hподл	толщина подложки,мкм	300	Да
X2	eподл	диэлектрическая проницаемость подложки	4	Да
X3	hпров	толщина проводников, мкм	35	Да
X4	w1	ширина проводника 1,мкм	300	В стандарте IPC,w1=w2
X5	w2	ширина проводника 2,мкм	300	w1=w2
X6	s12	зазор между проводниками 1 и 2,мкм	400	Да
X7	hпм	толщина паяльной маски, мкм	35	Нет
X8	eпм	диэлектрическая проницаемость паяльной маски	3.5	Нет
X9	hвл	толщина влагозащитного покрытия, мкм	70	Нет
X10	eвл	диэлектрическая проницаемость влагозащитного покрытия	3.5	Нет
X11	S23	зазор между проводниками 2 и 3, мкм	800	Нет
X12	w3	ширина проводника 3, мкм	300	Нет
X13	s1п	зазор между проекцией проводника 1 на полигон заземления и краем полигона заземления, мкм	800	Нет
X14	sотв-п	расстояние от края отверстия до края полигона заземления, мкм	1000	Нет
X15	dотв	диаметр отверстия, мкм	2000	Нет

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).

Для обеспечения больших значений волнового сопротивления необходимо обеспечить плату узкими проводниками и толстым слоем диэлектрического материала.

Как и говорилось в предыдущих разделах, волновое сопротивление линии Z0 можно представить как функцию нескольких параметров, изменяя которые, можно подобрать необходимые значения Z0. Общие положения:

Увеличивая ширину линии, можно уменьшить волновое сопротивление, тонкие проводники сильно зависят от ширины в связи с металлизацией и травлением.

Как правило, при одинаковой диэлектрической проницаемости, зазорами, шириной и толщиной проводника, волновое сопротивление полосковой линии меньше, чем микрополосковой.

Если выбрать диэлектрик с более высоким показателем диэлектрической проницаемости, соответственно, и относительной диэлектрической проницаемости, то будет увеличиваться время распространения и уменьшаться волновое сопротивление. Диэлектрическая проницаемость и волновое сопротивление почти всегда являются обратно пропорциональными величинами.

Также, помимо диэлектрической проницаемости диэлектрика, важна и его толщина. При уменьшении толщины диэлектрика, уменьшается и волновое сопротивление в связи с тем, что расстояние от опорной зоны до проводника уменьшится.

При увеличении толщины слоя меди, волновое сопротивление линии передачи уменьшается.

Расположение проводников также играет немаловажную роль. Они не должны располагаться слишком близко к краю опорной цепи. Расстояние от края - не менее 2-2.5 мм.

Критические проводники необходимо размещать на внутреннем слое между опорными плоскостями цепи или в заглубленных слоях внешних.

Толстые печатные платы и/или совсем тонкие проводники не являются лучшими конструктивными решениями при проектировании.

Для более точного расчёта волнового сопротивления, желательно учитывать влагозащитное покрытие и паяльную маску.



2. РАЗРАБОТКА ВЕБ-РЕСУРСА

2.1 Обоснование выбора среды и инструментария для разработки интернет-ресурса

Основные способы создания веб-сайта:

Программирование:

Существует множество различных технологий по созданию веб-сайта с помощью программирования, основная идея заключается в верстке шаблона (макета) с помощью языка HTML, наложением стилей с помощью технологии CSS и дальнейшему внедрению логики (действие над элементами шаблона) с помощью других языков (С#, JavaScript и т.д.)

Сайт-конструктор:

Существует несколько площадок по созданию веб-сайта: livejournal, wordpress, blogger. Сайты-конструкторы позволяют реализовать любой тип сайтов, есть набор встроенных возможностей, которые всё упрощают. Однако в большинстве случаев для содержания сайта нужно вносить помесячную оплату, а также такой вид разработки ограничивает возможности при реализации определенных задач.

С помощью движка:

Движок- система, которая позволяет управлять сайтом, даже менять его внешний вид. Создание сайта таким способом сведёт на нет необходимость рисования макета. Простая установка движка решит эту проблему самостоятельно. Однако стоит заметить, что таким образом теряется уникальность проекта, потому что сайт уже будет сделан по некоторым шаблонам. Более того, такой способ подходит для простейших сайтов и не предусматривает сложных расчётов, необходимых в данной работе.

На рисунке 8 приведено сравнение способов создания web-ресурса.



Рис. 8 - Сравнение способов создания сайта

Разберём более подробно каждый критерий, по которому проводился анализ:

Быстродействие.

Быстродействие, одно из важнейших характеристик веб-ресурса,

которое сильно влияет на качество его работы.

Немногие способны дожидаться окончания загрузки, если сайт будет грузиться очень долго.

На сайтах, созданных с помощью движка или сайта-конструктора, будет присутствовать большое количество ненужных файлов, которые никак не используются, занимают много свободного места в памяти.

Это пагубно действует на функциональность всего сайта, потому что серверу придется делать множество различных ненужных операций.

В самостоятельно написанном веб-сайте обычно находятся только необходимые для выполнения заданного функционала коды, что существенно снижает количество занимаемой памяти и способствует высокому быстродействию в отличие от готовых движков.

Безопасность.

Даже в отсутствии на интернет-ресурсах каких-то конфиденциальных данных, безопасность является основой любого интернет-сайта. Взломы способствуют проведению дополнительных мер по восстановлению. Возможно заражение вирусом, воровство у потенциальных клиентов и много других негативно влияющих факторов могут привести к «плохой репутации» среди интернет-ресурсов, а также поисковые системы способны заблокировать данный ресурс, что снизит посещаемость и возможность продвижения и дальнейшего функционирования сайта.

Безопасность сайта, созданного движком или сайтом-конструктором, низкая в связи с общедоступностью данных технологий. В интернете множество различных инструкций по взлому сайтов, созданных таким способами. Для того чтобы решить такого рода проблемы нужно быть неплохим специалистом, а также потратить много времени и сил.

В случае, когда сайт самописный, код будет уникальным, взлом такого сайта является очень энергозатратным и в большинстве своём бесполезным занятием.

Функциональность.

Интернет-ресурс после создания всегда нуждается в дальнейшей доработке для добавления новых функциональных возможностей или изменения уже существующих. Если сайт создан на специальном движке, то для переработки сайта необходимо добавление новых расширений, позволяющих выполнять те или иные задачи. Однако не всегда можно найти и добавить подходящие расширения. Если нужные сторонние модули найдены, то практически всегда они являются уязвимыми для злоумышленников, потому что сторонние вебмастеры, создавая их, не сильно озадачены созданием безопасного продукта.

В конструкторских сайтах ситуация ещё хуже, потому что приходится использовать только их собственный функционал. Как было подмечено ранее, такой способ является хорошим решением для простейших сайтов.

Самописные сайты, созданные на своих кодах, в любой момент могут быть доработаны под свои нужды.

Простота создания.

Безусловно, в данном аспекте выигрывают сайты, созданные на готовом движке или с помощью сайта-конструктора. Точное время создания назвать достаточно трудно, всё зависит от компетенции разработчика и сложности веб-ресурса.

Проанализировав всевозможные варианты, было решено создать веб-сайт, используя языки программирования. Данный способ является самым трудоёмким, но наиболее подходящим для реализации поставленной цели.

Существует множество различных инструментов по созданию сайта с помощью языков программирования. В данной работе web-приложение разрабатывается с помощью новейшей технологии ASP.NET Core, отличающейся первоклассной системой внедрения зависимостей, поддержкой различных платформ, упрощенным тестированием. Более того, эта технология является кроссплатформенной, поэтому web-приложения будут поддерживаться различного рода устройствами, а также разными операционными системами, такими как Windows, macOS и даже Linux, что, учитывая возможные санкции, является положительным фактором.

Технология .NET Core обладает фундаментальной модульной архитектурой. Среда исполнения, различные библиотеки, компилятор -- все это раздельные сущности, взаимодействующие между собой через четко определенные интерфейсы, что позволяет производить замену компонентов под конкретные условия и требования. Библиотеки являются модульными и подключаются с помощью специальной системы управления пакетами для платформ разработки Microsoft (NuGet), что позволяет подключать именно те библиотеки, которые необходимы. Это положительно сказывается на объеме занимаемых ресурсов.

Изначально, приложение планировалось написать на основе паттерна MVC (Model-View-Controller, Модель-Представление-Контроллер), что позволило бы разделить данные приложения, пользовательский интерфейс и управляющую логику на три отдельных компонента: модель, представление и контроллер. Значит, модификация каждого компонента могла быть осуществлена независимо. Однако в данном приложении создание базы данных необязательно, поэтому серверной части (Model) не будет. Таким образом, веб-ресурс будет иметь только клиентскую часть.

2.2 Структура веб-сайта

Прежде чем приступить к написанию кода, была разработана структура сайта, которая должна соответствовать следующим условиям:

Простота и легкость в использовании

Доступность

Отсутствие лишней информации

Сама структура выглядит следующим образом:

Горизонтальное адаптивное меню, расположенное посередине верхней части страницы, состоящее из трех пунктов:

Линии передачи

Справка

О сайте

Первый пункт «Линии передачи» является сложным выпадающим меню, включающим в себя две основные структуры, наиболее часто использующиеся в наше время при проектировании: микрополосковые и полосковые. В свою очередь, подпункты «микрополосковая» и «полосковая» также имеют выпадающий список с различными модификациями линий передачи. При выборе из списков линии передачи посередине страницы меняется изображение и формы для ввода данных в соответствии с выбранной линией передачи. Тем самым, пользователю предоставлены максимальные удобства использования веб-сайта.

Второй пункт «Справка» имеет всю необходимую информацию по формулам и методам подсчёта линий передачи, использующимся на данном сайте.

Третий пункт «О сайте» содержит описание и предназначение данного сайта.

В связи с тем, что выбранной технологией для создания веб-сайта является ASP.NET Core, средой разработки в данной работе будет Visual Studio. Решение (Solution) будет иметь один проект Web Application. Добавляется оно как показано на рисунке 9.

Рис. 9 - Создание web-приложения



Рис. 10 - Структура проекта Web

Рассмотрим каждый из пунктов уже готового проекта Web:

1. Connected Services: включает в себя дополнительные сервисы, а также документацию. В данной работе не используется.

2. Dependencies: в этой папке находятся внедренные в проект дополнительные пакеты.

3. Properties: содержит всего лишь один файл “launchSettings.json”, в котором настраивается URL при запуске сайта.

4. wwwroot: созданный по умолчанию корневой каталог проекта. В него добавляются статические файлы (стили CSS, изображения PNG, скрипты JavaScript).



Рис. 11 - Каталог wwwroot

5. Controllers: имеет один контроллер «HomeСontroller.cs». Контроллер обеспечивает «связь» между пользователем и системой, выстраивает логику приложения. Принимает запросы от пользователя, считывает и отсылает обратно ответ от сервера. Контроллеры представляют собой классы, написанные на языке C#.

Рис. 12 - Контроллер “Home”

6. Views: содержит представления. Не содержит логики, является инструментом отображения. Другими словами, это то, что пользователь видит на сайте.

7. appsettings.json, bundleconfig.json: созданные по умолчанию файлы, в данном проекте не использовались.

8. Program.cs: созданный по умолчанию класс, с которого начинается выполнение приложения. Язык C#.

Рис. 13 - Program.cs и Startup.cs



9. Startup.cs: этот класс настраивает приложение: производит конфигурацию, подключает сервисы, которые приложение будет использовать, устанавливает компоненты для обработки запроса. Язык C#.

2.3 Метод построения веб-сайта по расчёту волнового

сопротивления линий передач.

Создание сайта началось с определения количества линий передачи, расчёт которых будет присутствовать на сайте. Их оказалось 8:

1. Микрополосковая в однородной среде

2. Микрополосковая в кусочно-неоднородной среде

3. Микрополосковая с учётом подтравов печатных проводников

4. Дифференциальная пара микрополосковой линии передачи

5. Полосковая

6. Двойная полосковая

7. Несимметричная полосковая

8. Заглубленная полосковая

После определения количества линий передачи были созданы соответствующие представления, размещенные в папке «Home» (рис. 13), т.е. разметки. Как видно, количество линий передачи совпадает с количеством файлов расширения .cshtml, находящимся в папке «Home».

Рис. 14 - Представления

Обычно для написания разметок используется язык html, однако технология ASP.NET Core предполагает использование языка html совместно с такой функциональностью, как Razor Pages. Страницы Razor представляют собой файлы с расширением .cshtml и содержат смесь кода html и конструкций C#. Добавление C# в html-документ решает много задач и значительно уменьшает количество кода. Отдельный пример будет разобран позже.

Как уже было замечено ранее, представление - это то, что видит пользователь. Код представления изображен на рисунке 14. Пример представления полосковой линии передачи (файл с расширением LapPol1.cshtml) изображен на рисунке 15.

<div class="main row centerLayer h-100 justify-content-center align-items-center col-xs-6 block2 bg-primary center">

<p><img src="~/lib/images/01.png"></p>

<div class="field col-sm-8 col-xs-12">

<label for="n">Толщина основания:</label>