Ce que les mesures VNA peuvent vous apprendre sur votre substrat de PCB

Analyseurs de réseaux vectoriels (VNAs) sont les chevaux de bataille des mesures d'intégrité du signal RF et ont traditionnellement été utilisés par les ingénieurs en micro-ondes pour concevoir des composants micro-ondes et des antennes. Les concepteurs numériques d'aujourd'hui travaillant avec des signaux ultra-rapides doivent penser en termes de concepts mmWave et comprendre ce que signifient les mesures VNA, spécifiquement les mesures de paramètres S et les mesures de résonance. Vous pouvez remercier les taux de montée ultra-rapides et les taux de bitstream élevés pour avoir poussé les largeurs de bande de signal bien dans le régime des GHz au point où les concepteurs numériques doivent maintenant être des experts analogiques.

Si vous savez comment interpréter au mieux les mesures VNA de vos interconnexions, vous pouvez apprendre quelque chose sur les propriétés matérielles de votre substrat sans test destructif. Vous pouvez également déterminer si votre conception doit changer pour atteindre vos objectifs d'intégrité du signal.

Que mesure un VNA ?

La théorie de fonctionnement derrière un VNA repose fortement sur l'analyse de réseau pour les ondes se propageant dans les réseaux électriques. Un VNA est parfois comparé à un multimètre DC, sauf que le VNA mesure le comportement électrique pour les signaux AC. Ce n'est pas exactement correct, mais c'est un pas dans la bonne direction. Le "N" dans VNA signifie "réseau", ce qui signifie que le VNA mesure comment un signal source interagit avec un réseau électrique. Une configuration de mesure typique avec un dispositif sous test (DUT) à N ports est illustrée ci-dessous.

Lorsqu'un signal se propageant est incident sur un réseau électrique, une partie de la puissance est réfléchie à partir du port d'entrée, et une partie de la puissance est transmise à travers chaque port de sortie. La puissance réfléchie et transmise peut être mesurée par le VNA (à la fois en magnitude et en phase), ce qui peut ensuite être utilisé pour déterminer les paramètres S pour des paires de ports dans le dispositif. Un VNA peut également être utilisé pour mesurer la tension aux ports d'entrée et de sortie, ce qui donne alors la fonction de transfert de tension pour le réseau. Vous pouvez utiliser ces données dans une gamme d'autres analyses.

En tirant parti de ces caractéristiques d'un VNA, les propriétés des matériaux peuvent être déduites à partir des mesures VNA. Dans ces mesures, vous pouvez utiliser deux classes de méthodes avec le matériau à examiner placé en tant que DUT :

• Méthodes résonantes : Cela implique d'utiliser le VNA pour comparer la fréquence de résonance mesurée pour un matériau de référence et le matériau à l'essai. Cela nécessite l'utilisation d'une structure de test en guide d'onde avec un modèle établi pour la fréquence de résonance en fonction de Dk et de la géométrie. Les paramètres S ne sont pas mesurés directement dans cette méthode.
• Méthodes non résonantes : Les caractéristiques du matériel sont déterminées à partir des mesures des paramètres S (puissance réfléchie ou transmise). Les structures de référence courantes utilisées dans cette mesure sont les guides d'ondes, les lignes de transmission, les sondes coaxiales en circuit ouvert, ou la transmission à travers l'espace libre.

Mesures VNA pour les matériaux PCB

Ici, j'aimerais me concentrer sur une méthode deparamètre S non résonante car c'est plus courant pour les concepteurs qui ne travaillent pas dans desentreprises de stratifiés. Il existe une manière simple d'apprendre quelque chose sur vos paramètres de matériel et une méthode plus complexe pour calculer directement la constante diélectrique/la perméabilité magnétique.

Limite de la ligne de transmission longue

Une manière de voir comment les propriétés des matériaux affectent le comportement des signaux est d'examiner une ligne de transmission longue et ses mesures S21. Dans le cas limite d'une ligne de transmission longue, vous pouvez rapidement extraire une valeur moyenne de Dk pour le matériau du substrat simplement en regardant la pente des données S21 sur une échelle logarithmique. Vous pouvez ensuite voir comment la dispersion et l'angle de perte affectent la perte d'insertion dans le canal.

En comparant avec un matériau de référence, la constante diélectrique peut être déterminée en regardant la pente de l'amplitude et de la phase de votre courbe S21 pour votre matériau à l'essai. Cependant, cela n'est valable que lorsque la dispersion est relativement faible, et que la ligne est très longue ; évidemment, cela ne couvre pas chaque situation, comme une ligne de transmission courte dominée par la réflexion. Pour revenir aux valeurs de Dk à partir des mesures pour n'importe quelle longueur de ligne, nous avons besoin de méthodes de conversion plus sophistiquées.

Méthodes de Ligne de Transmission Non-Résonante

Les méthodes non résonantes sont plus susceptibles d'être utilisées dans le cadre de la conception et des tests d'interconnexion pour les signaux à haute vitesse, où une interconnexion réelle doit être évaluée pour une utilisation avec une norme de signalisation à large bande (signaling broadband) (par exemple, USB 4). En examinant les données de mesure des paramètres S non résonants avec des dispositifs désencapsulés, les données peuvent être reliées aux propriétés des matériaux en utilisant des modèles standards pour votre interconnexion. Ce processus de mesure et les techniques de conversion pour déterminer Dk/Df sont valides jusqu'à la limite TEM pour les lignes de transmission et les guides d'ondes coplanaires.

Supposons que vous ayez les paramètres S pour votre canal de test après désencapsulation. Vous pouvez utiliser l'une des méthodes suivantes pour convertir vos paramètres S en valeurs de Dk, Df et de perméabilité magnétique.

Le tableau ci-dessous répertorie certaines des exigences de base en matière d'intégrité du signal qui s'appliquent dans la norme PCIe 5.0.

Aborder en détail chaque méthode prendrait beaucoup d'espace, donc je vais laisser certains de ces sujets pour de futurs articles. En résumé, ces méthodes reposent sur la résolution d'une équation transcendante pour la constante diélectrique complexe du matériau du substrat du PCB. Les paramètres S sont réécrits en termes d'impédance d'entrée du canal, de longueur et de constante de propagation. Les méthodes itératives mentionnées ci-dessus sont ensuite utilisées pour résoudre cette équation à chaque fréquence, en partant des données des paramètres S. Jetez un œil à ce guide de Rhode et Schwartz pour un processus complet de ces conversions.

Tenir compte de la rugosité du cuivre rend l'équation à résoudre plus compliquée, mais les algorithmes de solution pour ces problèmes restent plutôt simples. C'est le sujet d'un article à venir sur lequel je travaille, et je m'assurerai de montrer comment cela peut être utilisé avec des mesures VNA dans un article ultérieur.

Une fois que vous avez rassemblé et analysé vos mesures VNA de vos interconnexions, il est temps d'implémenter les changements de conception nécessaires pour que vous répondiez aux exigences de conception importantes. Lorsque vous devez prendre en compte la dispersion/la perte/la rugosité dans le substrat de votre PCB, utilisez l'ensemble complet d'outils de conception et de mise en page de pile dans Altium Designer. Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez partager votre projet, la plateforme Altium 365™ facilite la collaboration avec d'autres concepteurs.

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