Es wurde eine simple Testleiterplatte erstellt, mit der das Übersprechen von parallel laufenden Microstrip-Leitungen untersucht werden kann. Da es immer wieder zu Diskussionen um Schlitze in Masselagen bzw. Sternpunkte von Masselagen kommt, soll dieser Test dazu dienen, eine mögliche Reduktion des Übersprechens durch eine getrennte Masselage aufzuzeigen.
Auf der Oberseite der Testleiterplatte sind 3 Microstripleitungen mit 50 Ohm Impedanz und 10 mm Abstand zueinander aufgeklebt. In die vollflächige GND-Plane auf der Unterseite wurde ein Schlitz eingebracht.
Die mittlere Streifenleitung soll als Störquelle dienen. Eine S21 Messung zeigt, dass das Signal bis zu den gemessenen 1 GHz recht dämpfungsarm übertragen wird.
Es stellt sich nun die Frage, wieviel von diesem Signal auf die benachbarten Leitungen überspricht. Dazu wurden alle offenen Leitungen am Leiterplattenrand durch einen 50 Ohm Widerstand abgeschlossen. In die mittlere Leitung wurde wiederum das Signal eingespeist. Als erste Messung wurde die benachbarte Leitung mit durchgehender Masselage vermessen.
Im unteren Frequenzbereich wurde die Messung mittels Funktionsgenerator und DMM durchgeführt und im Diagramm ergänzt, da mein VNA nur ab 10 kHz messen kann.
1)
Wir sehen im Bereich von 100 Hz bis 5 kHz ein konstantes Übersprechen von ca. -96 dB. Dieses Übersprechen entsteht durch die galvanische Kopplung. Der Rückstrom des Störsignals erzeugt auf der GND-Plane einen Spannungsabfall, der am Ausgang direkt gemessen wird.
Für quasi DC Signale kann man das Übersprechen durch den reelen Widerstand der Plane nachbilden. Dieser hat bei der Testleiterplatte 1,6 mOhm.
2)
Bei etwas höheren Frequenzen hatte ich erwartet, dass sich das Übersprechen erhöht, da der Skineffekt die Impedanz der GND-Plane erhöht. Allerdings scheint der Proximity-Effekt einen größeren Einfluss zu haben als der Skineffekt. Dieser Effekt führt dazu, dass sich der Rückstrom immer näher zum Bereich des Hinleiters hin konzentriert. Dadurch wird auch der Bereich in dem ein Spannungsabfall auf der GND-Plane auftritt begrenzt und das Übersprechen nimmt ab.
3)
Ab 100 kHz dominieren kapazitive bzw. induktive Kopplung die das Übersprechen stetig ansteigen lassen.
4)
Bei 300 Mhz erscheint eine Resonanz, auf die ich in einem folgenden Teil noch eingehen werde.
Im folgenden wurde die Messung mit dem anderen Leiter wiederholt, bei dem die Masselage durch einen Schlitz vom störenden Leiter getrennt wurde.
Wie zu sehen ist nun das Übersprechen bei niedrigen Frequenzen so gering, dass der Dynamikumfang der VNA-Messung nicht ausreicht um es zu erfassen. Auch die Messung mittels Funktionsgenerator und DMM führen zu keinem brauchbaren Ergebnis.
Im Bereich der induktiven bzw. kapazitiven Kopplung hat sich das Übersprechen um ca. 4 dB verringert.
Das bedeutet, dass für quasi DC das Übersprechen durch Schlitze in der GND-Plane verhindert werden kann. Wird z.B. der Rückstrom einer LED mit 5 mA quer über die GND-Plane geführt, entsteht ein Spannungsabfall von etwa 8 uV. Wird ein zu messendes analoges Signal ebenfalls quer über die gleiche Masselage geführt kann das bei einem hochauflösenden ADC sehr wohl zu verfälschten Ergebnissen führen.
Bei höheren Frequenzen hat der Schlitz allerdings keine große Bedeutung auf das Übersprechen, da dieses ohnehin kapazitiv oder induktiv erfolgt und nicht auf eine gemeinsame GND-Plane angewiesen ist. Im Gegenteil führt das Auftrennen der GND-Plane zu einer Resonanz bei 300 Mhz, die auch zu Abstrahlung führen kann, wie ich in einem späteren Teil noch zeigen möchte.
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