Cosa possono insegnarti le misurazioni VNA sul substrato del tuo PCB

Gli analizzatori di rete vettoriali (VNA) sono i cavalli di battaglia delle misurazioni dell'integrità del segnale RF e sono stati tradizionalmente utilizzati dagli ingegneri delle microonde per progettare componenti per microonde e antenne. I progettisti digitali di oggi che lavorano con segnali ultra-veloci devono pensare in termini di concetti mmWave e comprendere il significato delle misurazioni VNA, in particolare le misurazioni dei parametri S e le misurazioni risonanti. Si possono ringraziare i tassi di transizione ultra-veloci e i tassi di bit elevati per aver spinto le larghezze di banda del segnale ben dentro il regime dei GHz, al punto che i progettisti digitali ora devono essere esperti in elettronica analogica.

Se sai come interpretare al meglio le misurazioni VNA dai tuoi interconnettori, puoi imparare qualcosa sulle proprietà dei materiali del tuo substrato senza test distruttivi. Puoi anche determinare se il tuo design deve cambiare per soddisfare i tuoi obiettivi di integrità del segnale.

Cosa Misura un VNA?

La teoria di funzionamento dietro un VNA si basa fortemente sull'analisi di rete per onde che si propagano in reti elettriche. Un VNA è talvolta paragonato a un multimetro DC, eccetto che il VNA misura il comportamento elettrico per segnali AC. Questo non è esattamente corretto, ma è un passo nella giusta direzione. La "N" in VNA sta per "network" (rete), il che significa che il VNA misura come un segnale generato interagisce con una rete elettrica. Una tipica configurazione di misurazione con un dispositivo sotto test (DUT) a N porte è mostrata di seguito.

Quando un segnale in propagazione incide su una rete elettrica, parte della potenza viene riflessa dalla porta di ingresso e parte della potenza viene trasmessa attraverso ogni porta di uscita. La potenza riflessa e trasmessa può essere misurata dal VNA (sia in magnitudine che in fase), che può quindi essere utilizzata per determinare i parametri S per coppie di porte nel dispositivo. Un VNA può anche essere utilizzato per misurare la tensione alle porte di ingresso e uscita, che fornisce quindi la funzione di trasferimento della tensione per la rete. Puoi utilizzare questi dati in una gamma di altre analisi.

Sfruttando queste caratteristiche di un VNA, le proprietà dei materiali possono essere dedotte dalle misurazioni VNA. In queste misurazioni, puoi utilizzare due classi di metodi con il materiale da esaminare posizionato come DUT:

• Metodi risonanti: Questi comportano l'uso del VNA per confrontare la frequenza di risonanza misurata per un materiale di riferimento e il materiale sotto test. Ciò richiede l'uso di una struttura di test in guida d'onda con un modello stabilito per la frequenza di risonanza in funzione di Dk e geometria. I parametri S non sono misurati direttamente in questo metodo.
• Metodi non risonanti: Le caratteristiche del materiale sono determinate dalle misurazioni dei parametri S (potenza riflessa o trasmessa). Le strutture di riferimento comuni utilizzate in questa misurazione sono guide d'onda, linee di trasmissione, sonde coassiali a circuito aperto o trasmissione attraverso lo spazio libero.

Misurazioni VNA per Materiali PCB

Qui, vorrei concentrarmi su un metodo dei parametri S non risonante poiché questo è più comune per i progettisti che non lavorano presso aziende di laminati. Esiste un modo semplice per apprendere qualcosa sui parametri del tuo materiale e un metodo più complesso per calcolare direttamente la costante dielettrica/la permeabilità magnetica.

Limite della Linea di Trasmissione Lunga

Un modo per vedere come le proprietà dei materiali influenzano il comportamento del segnale è osservare una linea di trasmissione lunga e le sue misurazioni S21. Nel limite di una linea di trasmissione lunga, è possibile estrarre rapidamente un valore medio di Dk per il materiale del substrato semplicemente osservando la pendenza dei dati S21 su una scala logaritmica. Si può quindi vedere come la dispersione e il tangente di perdita influenzino la perdita di inserzione nel canale.

Confrontando con un materiale di riferimento, la costante dielettrica può essere determinata osservando la pendenza della magnitudine e della fase della curva S21 per il materiale in esame. Tuttavia, questo è valido solo quando la dispersione è relativamente piccola e la linea è molto lunga; ovviamente, questo non copre ogni situazione, come una linea di trasmissione corta dominata dalle riflessioni. Per tornare ai valori di Dk dalle misurazioni per qualsiasi lunghezza di linea, abbiamo bisogno di metodi di conversione più sofisticati.

Metodi di Linea di Trasmissione Non-Risonanti

I metodi non risonanti sono più propensi ad essere utilizzati come parte della progettazione e del test di interconnessione per segnali ad alta velocità, dove è necessario valutare un'interconnessione reale per l'uso con uno standard di segnalazione a banda larga (ad es., USB 4). Esaminando i dati di misurazione dei parametri S non risonanti con dispositivi de-incapsulati, i dati possono essere ricollegati alle proprietà dei materiali utilizzando modelli standard per la vostra interconnessione. Questo processo di misurazione e le tecniche di conversione per determinare Dk/Df sono validi fino al limite TEM per linee di trasmissione e guide d'onda coplanari.

Supponete di avere i parametri S per il vostro canale di test dopo la de-incapsulazione. Potete utilizzare uno dei seguenti metodi per convertire dai vostri parametri S a valori di Dk, Df e permeabilità magnetica.

La tabella sottostante elenca alcuni dei requisiti fondamentali di integrità del segnale che si applicano nello standard PCIe 5.0.

Approfondire i dettagli di ciascun metodo richiederebbe molto spazio, quindi lascerò alcuni di questi argomenti per futuri articoli. In breve, questi metodi si basano sulla risoluzione di un'equazione trascendentale per la costante dielettrica complessa del materiale del substrato della PCB. I parametri S sono riscritti in termini di impedenza di ingresso del canale, lunghezza e costante di propagazione. I metodi iterativi sopra elencati sono quindi utilizzati per risolvere questa equazione a ogni frequenza, partendo dai dati dei parametri S. Date un'occhiata a questa guida di Rhode e Schwartz per un processo completo per queste conversioni.

Tenere conto della rugosità del rame rende l'equazione da risolvere più complicata, ma gli algoritmi di soluzione per questi problemi sono ancora piuttosto semplici. Questo è l'argomento di un prossimo articolo su cui sto lavorando, e mi assicurerò di mostrare come questo può essere utilizzato con misurazioni VNA in un articolo successivo.

Una volta raccolte e analizzate le misure VNA dei tuoi interconnettori, è il momento di implementare le modifiche di progettazione necessarie per soddisfare importanti requisiti di progettazione. Quando devi tenere conto della dispersione/perdita/ruvidità nel substrato del tuo PCB, utilizza il set completo di strumenti di progettazione e layout di stackup in Altium Designer. Quando hai terminato il tuo progetto e vuoi condividere il tuo lavoro, la piattaforma Altium 365 rende facile la collaborazione con altri progettisti.

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