Qué pueden enseñarte las mediciones VNA sobre tu sustrato de PCB

Los analizadores de redes vectoriales (VNAs, por sus siglas en inglés) son las herramientas fundamentales para las mediciones de integridad de señal RF y tradicionalmente han sido utilizados por ingenieros de microondas para diseñar componentes de microondas y antenas. Los diseñadores digitales de hoy, que trabajan con señales ultra rápidas, necesitan pensar en términos de conceptos de ondas milimétricas (mmWave) y entender qué significan las mediciones de VNA, específicamente las mediciones de parámetros-S y las mediciones resonantes. Puedes agradecer a las tasas de transición ultra rápidas y a las altas tasas de bitstream por empujar los ancho de bandas de señal bien dentro del régimen de GHz hasta el punto en que los diseñadores digitales ahora necesitan ser expertos en analógica.

Si sabes cómo interpretar mejor las mediciones de VNA de tus interconexiones, puedes aprender algo sobre las propiedades materiales de tu sustrato sin necesidad de pruebas destructivas. También puedes determinar si tu diseño necesita cambiar para cumplir con tus objetivos de integridad de señal.

¿Qué mide un VNA?

La teoría de operación detrás de un VNA se basa en gran medida en el análisis de redes para ondas que se propagan en redes eléctricas. A veces se compara un VNA con un multímetro DC, excepto que el VNA mide el comportamiento eléctrico para señales AC. Esto no es exactamente correcto, pero es un paso en la dirección correcta. La "N" en VNA significa "red", lo que significa que el VNA mide cómo una señal generada interactúa con una red eléctrica. A continuación, se muestra una configuración de medición típica con un dispositivo bajo prueba (DUT) de N-puertos.

Cuando una señal propagada incide en una red eléctrica, parte de la potencia se refleja desde el puerto de entrada y parte de la potencia se transmite a través de cada puerto de salida. La potencia reflejada y transmitida puede ser medida por el VNA (tanto en magnitud como en fase), lo que luego puede ser utilizado para determinar los parámetros S para pares de puertos en el dispositivo. Un VNA también puede ser utilizado para medir el voltaje en los puertos de entrada y salida, lo que luego da la función de transferencia de voltaje para la red. Puedes usar estos datos en una gama de otros análisis.

Al aprovechar estas características de un VNA, se pueden inferir las propiedades de los materiales a partir de mediciones con el VNA. En estas mediciones, puedes utilizar dos clases de métodos con el material a examinar colocado como el DUT:

• Métodos resonantes: Estos implican usar el VNA para comparar la frecuencia de resonancia medida para un material de referencia y el material bajo prueba. Esto requiere usar una estructura de prueba de guía de onda con un modelo establecido para la frecuencia de resonancia como función de Dk y geometría. Los parámetros S no se miden directamente en este método.
• Métodos no resonantes: Las características del material se determinan a partir de mediciones de parámetros S (potencia reflejada o transmitida). Las estructuras de referencia comunes utilizadas en esta medición son guías de ondas, líneas de transmisión, sondas coaxiales de circuito abierto o transmisión a través del espacio libre.

Mediciones VNA para Materiales de PCB

Aquí, me gustaría enfocarme en un método de parámetro S no resonante ya que esto es más común para diseñadores que no trabajan en empresas delaminados. Hay una forma simple de aprender algo sobre los parámetros de tu material y un método más complejo para calcular directamente la constante dieléctrica/permeabilidad magnética.

Límite de Línea de Transmisión Larga

Una forma de ver cómo las propiedades de los materiales afectan el comportamiento de la señal es observar una línea de transmisión larga y sus mediciones S21. En el límite de una línea de transmisión larga, puedes extraer rápidamente un valor promedio de Dk para el material del sustrato simplemente mirando la pendiente de los datos S21 en una escala logarítmica. Luego, puedes ver cómo la dispersión y el tangente de pérdida afectan la pérdida de inserción en el canal.

Comparando con un material de referencia, la constante dieléctrica se puede determinar mirando la pendiente de la magnitud y fase de tu curva S21 para tu material bajo prueba. Sin embargo, esto solo es válido cuando la dispersión es relativamente pequeña, y la línea es muy larga; obviamente, esto no cubre cada situación, como una línea de transmisión corta dominada por reflexiones. Para volver a los valores de Dk a partir de mediciones para cualquier longitud de línea, necesitamos métodos de conversión más sofisticados.

Métodos de Línea de Transmisión No Resonantes

Los métodos no resonantes tienen más probabilidades de ser utilizados como parte del diseño y las pruebas de interconexión para señales de alta velocidad, donde se necesita evaluar una interconexión real para su uso con un estándar de señalización de banda ancha (por ejemplo, USB 4). Al observar la medición de datos de parámetros S no resonantes con accesorios desincrustados, los datos pueden relacionarse con las propiedades del material utilizando modelos estándar para su interconexión. Este proceso de medición y técnicas de conversión para determinar Dk/Df son válidos hasta el límite TEM para líneas de transmisión y guías de onda coplanares.

Supongamos que tienes los parámetros S para tu canal de prueba después de desincrustar. Puedes usar uno de los siguientes métodos para convertir de tus parámetros S de vuelta a valores de Dk, Df y permeabilidad magnética.

La tabla a continuación enumera algunos de los requisitos básicos de integridad de señal que se aplican en el estándar PCIe 5.0.

Detallar los puntos más finos de cada método ocuparía bastante espacio, así que dejaré algunos de estos temas para futuros artículos. En resumen, estos métodos se basan en resolver una ecuación trascendental para la constante dieléctrica compleja del material del sustrato de la PCB. Los parámetros S se reescriben en términos de la impedancia de entrada del canal, longitud y constante de propagación. Los métodos iterativos mencionados anteriormente se utilizan entonces para resolver esta ecuación en cada frecuencia, partiendo de los datos de los parámetros S. Echa un vistazo a esta guía de Rhode y Schwartz para un proceso completo para estas conversiones.

Tomar en cuenta la rugosidad del cobre hace que la ecuación a resolver sea más complicada, pero los algoritmos de solución para estos problemas son aún bastante simples. Este es el tema de un próximo artículo en el que estoy trabajando, y me aseguraré de mostrar cómo esto se puede utilizar con mediciones VNA en un artículo posterior.

Una vez que hayas recopilado y analizado tus mediciones VNA de tus interconexiones, es momento de implementar los cambios de diseño necesarios para cumplir con los requisitos de diseño importantes. Cuando necesites tener en cuenta la dispersión/pérdida/aspereza en el sustrato de tu PCB, utiliza el conjunto completo de herramientas de diseño de apilado y diseño de layout en Altium Designer. Cuando hayas terminado tu diseño y quieras compartir tu proyecto, la plataforma Altium 365 facilita la colaboración con otros diseñadores.

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