Wenn durch die Leiterbahn in der Signalebene ein Strom fließt, dann geht man davon aus, das der Rückstrom durch die Masseebene fließt, und zwar direkt unterhalb der Signalleitung. Die Leiterbahn und die Massefläche entsprechen also den beiden Leitern eines Kabels. An anderer Stelle habe ich erläutert, wie sich die Induktivität und die Kapazität der Leiter durch Abstand und Größe der Leiter gegenseitig beeinflusst. Je kleiner der Abstand zwischen beiden Leitern (also je dünner die Platine) desto geringer ist die Induktivität und desto größer ist die Kapazität. Der Abstand ist aber durch das Platinenmaterial fest vorgegeben, zwischen Leiterbahn und Masseebene ist ja eine Schicht Isoliermaterial (meist Epoxy) konstanter Dicke. Aber auch die Breite der Leiterbahn ist wichtig. Je breiter die Signalleitung, desto größer wird die Kapazität zwischen Leiterbahn und Massefläche, auf die Induktivität wirkt sich die Leiterbahnbreite dagegen nur geringfügig aus.
Da sich die Impedanz der Leitung auf der Platine aus Induktivität und Kapazität ergibt, kann man bei vorgegebener Platinendicke (H) die Impedanz mit der Leiterbahnbreite (W) einstellen. Für eine 1,6mm dicke Platine ergibt sich eine Impedanz von 50 Ohm bei einer 2,9 mm breiten Leiterbahn. Verwendet man eine nur 0,8mm dicke Platine, dann muss die Leiterbahn 1,45 mm breit sein. (Dabei gehe ich von normalem FR4-Platinenmaterial aus). Da sich 2,9mm dicke Leiterbahnen nur schlecht an kleine Steckverbinder oder ICs anschließen lassen, bevorzugt man dünnes Platinenmaterial mit 0,8mm Dicke. Bei 4-lagigen Platinen muss dann also die Isolation zwischen den beiden obersten Lagen 0,8mm dick sein. Rechts sieht man so ein Design, das nennt man Mikrostrip. Wer Deutsch bevorzugt, kann Wellenleiter sagen.
Coplanar Wave Guide mit Massefläche
Wenn man auch auf der Oberseite der Platine auf beiden Seiten der Leiterbahn mit Masseflächen belässt (die natürlich auch mit Masse verbunden werden müssen), dann gibt es dadurch zusätzliche Kapazität zwischen Leiterbahn und Masse. Um trotzdem die gleiche Impedanz zu behalten, muss man als Ausgleich die Kapazität zwischen der Leiterbahn und der unteren Massefläche verringern. Dafür kann man einfach eine dickere Platine verwenden und damit den Abstand zur unteren Massefläche vergrößern, oder man muss die Leiterbahn schmaler machen.
Diese Konstruktion, bei der die Leiterbahn sowohl oberhalb einer Massefläche als auch in der eignen Ebene neben Masseflächen verläuft nennt man "koplanarer Wellenleiter mit Massefläche". Er ermöglicht bei dickeren Platinen (1,6 mm) Leiterbahnen, die nicht extrem breit werden. Sind die benachbarten Masseflächen ca. 0,2 mm entfernt, dann kann die Leiterbahn 1,8 mm breit ausgelegt werden (als normale Mikrostripline wären es 2,9mm.) Die oberen Masseflächen werden mit der unteren durch viele Durchkontaktierungen (Vias) verbunden, das nennt sich "Stitching". Als Abstand der Vias kann man sich an 1/20 der Wellenlänge orientieren. Man kann das an dieser Platine gut erkennen.
Selbst ätzen scheidet bei koplanaren Wellenleitern normalerweise aus. Die nötige Präzision ist schwer hinzubekommen, und wehr will schon tagelang Durchkontaktierungen von Hand löten oder nieten.
Gekoppelte Microstrip Line
Die ersten beiden Beispiele entsprechen in etwa einem Koaxialkabel. Es gibt zwar keine richtige Schirmung, wie man das vom Kabel kennt, aber der "Leiter" ist unsymmetrisch. Die Leiterbahn zu einen und die Masseflächen zum Anderen sind grundverschieden, und wenn man mal messen würde, dann wäre die gesamte Spannung relativ zu Masse in der einzelnen Leiterbahn. Kunststück, die Masseflächen sind nun mal mit Masse verbunden und haben gegenüber Masse kein Potenzial.
Es gibt aber auch symmetrische differenzielle Leitungen aus zwei physisch identischen Leitern bzw. Leiterbahnen. Da ist keine der beiden Leitungen mit Masse verbunden, und die zweite Leitung enthält das inverse Signal der ersten Leitung. In der Welt der schnellen digitalen Datenbusse (die inzwischen ja auch Gigaherz erreichen) sind solche symmetrischen Leitungspärchen Standard, in der Hochfrequenztechnik spielen sie dagegen die zweite Geige. Ab und zu gibt es sie aber. Da sie oft 200 ... 300 Ohm Impedanz haben und auch noch symmetrisch sind, kann man sie nur mit Hilfe von Balancern / Unbalancern (Balun) mit den üblichen unsymmetrischen 50 Ohm Leitern verbinden. Baluns sind meist kleine Trafos.
Stripline
Von einer Stripline ist dann die Rede, wenn eine Leitung innerhalb einer Leiterplatte zwischen zwei Masseflächen verläuft - sozusagen ein Sandwich. Da die Leiterbahn mit dem Signal nun beidseitig abgeschirmt ist, sind die Abstrahlverluste sehr gering. Auch sind nun Gegenstände dicht oberhalb der Platine egal.
Allerdings ist nun mindestens eine dreilagige Platine erforderlich, und der Anschluss von Bauteilen an so eine Stripline ist problematisch.
Für die konkrete Berechnung all dieser verschiedener Leiterbahnen gibt es Software. Ich empfehle den PCB-Calculator des KiCad-Paketes. Von dort habe ich auch die nebenstehenden Grafiken entliehen.
