Was VNA-Messungen Ihnen über Ihr PCB-Substrat verraten können

Vektor-Netzwerk-Analyser (VNAs) sind die Arbeitstiere der RF-Signal-Integritäts-Messungen und wurden traditionell von Mikrowelleningenieuren verwendet, um Mikrowellenkomponenten und Antennen zu entwerfen. Die heutigen digitalen Designer, die mit ultraschnellen Signalen arbeiten, müssen in Bezug auf mmWave-Konzepte denken und verstehen, was VNA-Messungen bedeuten, insbesondere S-Parameter Messungen und resonante Messungen. Sie können ultraschnellen Kantengeschwindigkeiten und hohen Bitstromraten danken, die Signalbandbreiten weit in den GHz-Bereich treiben, sodass digitale Designer jetzt auch Analogie-Experten sein müssen.

Wenn Sie wissen, wie Sie VNA-Messungen Ihrer Verbindungen am besten interpretieren, können Sie etwas über die Materialeigenschaften Ihres Substrats erfahren, ohne destruktive Tests durchführen zu müssen. Sie können auch feststellen, ob Ihr Design geändert werden muss, um Ihre Ziele in Bezug auf Signalintegrität zu erreichen.

Was misst ein VNA?

Die Funktionsweise eines VNA basiert stark auf der Netzwerkanalyse für Wellen, die sich in elektrischen Netzwerken ausbreiten. Ein VNA wird manchmal mit einem DC-Multimeter verglichen, aber der VNA misst das elektrische Verhalten für AC-Signale. Das ist nicht ganz korrekt, aber es ist ein Schritt in die richtige Richtung. Das „N“ in VNA steht für „Netzwerk“, was bedeutet, dass der VNA misst, wie ein gespeister Signal mit einem elektrischen Netzwerk interagiert. Ein typisches Messsetup mit einem N-Port Gerät unter Test (DUT) wird unten gezeigt.

Wenn ein ausbreitendes Signal auf ein elektrisches Netzwerk trifft, wird ein Teil der Energie vom Eingangsport reflektiert und ein Teil der Energie wird durch jeden Ausgangsport übertragen. Die reflektierte und übertragene Energie kann vom VNA gemessen werden (sowohl Magnitude als auch Phase), was dann verwendet werden kann, um die S-Parameter für Paare von Ports im Gerät zu bestimmen. Ein VNA kann auch verwendet werden, um die Spannung an den Eingangs- und Ausgangsports zu messen, wodurch die Übertragungsfunktion für das Netzwerk erhalten wird. Sie können diese Daten in einer Reihe von anderen Analysen verwenden.

Indem man diese Eigenschaften eines VNA nutzt, können Materialeigenschaften aus VNA-Messungen abgeleitet werden. Bei diesen Messungen können zwei Klassen von Methoden verwendet werden, bei denen das Material, das untersucht werden soll, als DUT (Device Under Test) platziert wird:

• Resonante Methoden: Diese beinhalten die Verwendung des VNA, um die gemessene Resonanzfrequenz für ein Referenzmaterial und das Material unter Test zu vergleichen. Dies erfordert die Verwendung einer Wellenleiter-Teststruktur mit einem etablierten Modell für die Resonanzfrequenz als Funktion von Dk und Geometrie. S-Parameter werden in dieser Methode nicht direkt gemessen.
• Nicht-resonante Methoden: Materialeigenschaften werden aus S-Parameter-Messungen (entweder reflektierte oder übertragene Energie) bestimmt. Häufig verwendete Referenzstrukturen in dieser Messung sind Wellenleiter, Übertragungsleitungen, offene Koaxialsonden oder Übertragungen durch den freien Raum.

VNA-Messungen für PCB-Materialien

Hier möchte ich mich auf eine nicht-resonante S-Parameter Methode konzentrieren, da diese für Designer, die nicht bei Laminate Unternehmen arbeiten, üblicher ist. Es gibt eine einfache Möglichkeit, etwas über Ihre Materialparameter zu lernen, und eine komplexere Methode, um die Dielektrizitätskonstante/magnetische Permeabilität direkt zu berechnen.

Grenze der langen Übertragungsleitung

Eine Möglichkeit, zu sehen, wie Materialeigenschaften das Signalverhalten beeinflussen, ist, eine lange Übertragungsleitung und deren S21-Messungen zu betrachten. Im Grenzfall einer langen Übertragungsleitung können Sie schnell einen durchschnittlichen Dk-Wert für das Substratmaterial extrahieren, indem Sie einfach die Steigung der S21-Daten auf einer logarithmischen Skala betrachten. Sie können dann sehen, wie Dispersion und der Verlusttangens den Einfügeverlust im Kanal beeinflussen.

Durch den Vergleich mit einem Referenzmaterial kann die Dielektrizitätskonstante ermittelt werden, indem man die Steigung der Magnitude und Phase der S21-Kurve für das Material unter Test betrachtet. Dies ist jedoch nur gültig, wenn die Dispersion relativ klein ist und die Leitung sehr lang ist; offensichtlich deckt dies nicht jede Situation ab, wie zum Beispiel eine reflektionsdominierte kurze Übertragungsleitung. Um Dk-Werte aus Messungen für jede LeitungsLänge zu erhalten, benötigen wir ausgeklügelte Umrechnungsmethoden.

Nicht-resonante Übertragungsleitungs-Methoden

Nicht-resonante Methoden werden wahrscheinlicher als Teil des Verbindungsdesigns und der Tests für Hochgeschwindigkeitssignale verwendet, bei denen eine echte Verbindung bewertet werden muss, um mit einem Breitband-Signalübertragungsstandard (z. B., USB 4) kompatibel zu sein. Durch Betrachtung der nicht-resonanten S-Parameter-Datenmessung mit entflochtenen Vorrichtungen kann die Daten auf Materialeigenschaften mit Hilfe von Standardmodellen für Ihre Verbindung zurückgeführt werden. Dieser Messprozess und die Umrechnungstechniken zur Bestimmung von Dk/Df sind bis zum TEM-Limit für Übertragungsleitungen und koaxiale Wellenleiter gültig.

Angenommen, Sie haben die S-Parameter für Ihren Testkanal nach dem De-Embedding. Sie können eine der folgenden Methoden verwenden, um von Ihren S-Parametern zurück zu Dk, Df und magnetischen Permeabilitätswerten zu konvertieren.

Die folgende Tabelle listet einige der grundlegenden Signalintegritätsanforderungen auf, die im PCIe 5.0 Standard gelten.

Die Feinheiten jeder Methode zu erklären, würde viel Platz beanspruchen, daher lasse ich einige dieser Themen für zukünftige Artikel offen. Kurz gesagt, diese Methoden beruhen darauf, eine transzendentale Gleichung für die komplexe Dielektrizitätskonstante des PCB-Substratmaterials zu lösen. Die S-Parameter werden in Bezug auf die Eingangsimpedanz, Länge und Ausbreitungskonstante des Kanals umgeschrieben. Die oben aufgeführten iterativen Methoden werden dann verwendet, um diese Gleichung bei jeder Frequenz unter Verwendung der S-Parameter-Daten zu lösen. Schauen Sie sich diesen Leitfaden von Rohde & Schwarz für den vollständigen Prozess dieser Umrechnungen an.

Die Berücksichtigung von Kupferrauheit verkompliziert die zu lösende Gleichung, aber die Lösungsalgorithmen für diese Probleme sind immer noch relativ einfach. Dies ist das Thema eines kommenden Papiers, an dem ich arbeite, und ich werde aufzeigen, wie dies mit VNA-Messungen in einem späteren Artikel verwendet werden kann.

Sobald Sie Ihre VNA-Messungen Ihrer Verbindungen gesammelt und analysiert haben, ist es Zeit, die notwendigen Designänderungen vorzunehmen, damit Sie die wichtigen Designanforderungen erfüllen. Wenn Sie Dispersion/Verlust/Rauhigkeit in Ihrem PCB-Substrat berücksichtigen müssen, verwenden Sie das vollständige Set an Stackup-Design- und Layout-Tools in Altium Designer®. Wenn Sie Ihr Design abgeschlossen haben und es teilen möchten, macht die Altium 365™ Plattform die Zusammenarbeit mit anderen Designern einfach.

Wir haben nur die Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Sie können die Produktseite für eine detailliertere Funktionsbeschreibung oder eines der On-Demand-Webinare einsehen.