VNA測定がPCB基板について教えてくれること

ベクトルネットワークアナライザ（VNA）は、RF信号の整合性測定の主力であり、伝統的にはマイクロ波エンジニアがマイクロ波部品やアンテナを設計するために使用されてきました。今日のデジタルデザイナーは、超高速信号を扱う際に、ミリ波の概念を考え、特にSパラメータ測定や共振測定といったVNA測定の意味を理解する必要があります。超高速のエッジレートと高いビットストリームレートが、信号帯域幅をGHz領域まで押し上げ、デジタルデザイナーがアナログの専門家である必要がある状況に至ったのは、これらの要因によるものです。

接続部のVNA測定を最適に解釈する方法を知っていれば、破壊試験を行わずに基板の材料特性について学ぶことができます。また、信号整合性の目標を達成するために設計を変更する必要があるかどうかも判断できます。

VNAは何を測定するのか？

VNAの動作原理は、電気ネットワーク内で伝播する波のネットワーク分析に大きく依存しています。VNAは時々、DCマルチメータと比較されますが、VNAはAC信号の電気的挙動を測定します。これは完全に正確というわけではありませんが、正しい方向への一歩です。「N」は「ネットワーク」を意味し、VNAはソース信号が電気ネットワークとどのように相互作用するかを測定します。Nポート試験対象デバイス（DUT）を使用した典型的な測定セットアップは以下の通りです。

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伝播信号が電気ネットワークに入射すると、一部の電力が入力ポートから反射し、一部の電力が各出力ポートを通って伝達されます。反射された電力と伝達された電力はVNAによって測定され（大きさと位相の両方）、これを使用してデバイスのポートのペアに対するSパラメータを決定できます。VNAは入力ポートと出力ポートでの電圧も測定でき、これによりネットワークの電圧伝達関数を得ることができます。これらのデータを他の分析で使用することができます。

これらのVNAの特性を活用することで、VNAの測定から材料特性を推測することができます。これらの測定では、検査対象の材料をDUTとして配置し、2つのクラスの方法を使用できます：

• 共振法： この方法では、VNAを使用して、参照材料とテスト中の材料の測定共振周波数を比較します。これには、Dkと幾何学的形状の関数としての共振周波数の確立されたモデルを持つ導波管テスト構造を使用する必要があります。この方法では、Sパラメータは直接測定されません。
• 非共振法： 材料特性はSパラメータ測定（反射または透過電力のいずれか）から決定されます。この測定に使用される一般的な参照構造には、導波管、伝送線、開放回路同軸プローブ、または自由空間を通じた伝送があります。

PCB材料のためのVNA測定

ここでは、非共振Sパラメータ 方法に焦点を当てたいと思います。これは、積層板会社で働いていない設計者にとってより一般的です。材料パラメータについて何かを学ぶための簡単な方法が1つあり、誘電率/磁気透磁率を直接計算するためのより複雑な方法があります。

長い伝送線の限界

材料の特性が信号の挙動にどのように影響するかを見る一つの方法は、長い伝送線とそのS21測定値を見ることです。長い伝送線の限界では、ログスケール上のS21データの傾きを見るだけで、基板材料の平均Dk値をすぐに抽出することができます。その後、分散と損失角がチャネル内の挿入損失にどのように影響するかを見ることができます。

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参照材料と比較することで、試験中の材料のS21曲線の大きさと位相の傾きを見ることにより、誘電率定数を決定することができます。しかし、これは分散が比較的小さく、線が非常に長い場合にのみ有効であり、明らかに反射が支配的な短い伝送線など、すべての状況をカバーするわけではありません。任意の線長から測定値からDk値に戻るには、より洗練された変換方法が必要です。

非共振伝送線法

非共振方式は、高速信号の相互接続設計およびテストの一部として使用される可能性が高く、実際の相互接続が広帯域信号伝送標準（例えば、USB 4）での使用に適しているか評価する必要があります。非共振Sパラメータデータ測定をフィクスチャを除去した状態で見ることにより、標準モデルを使用して相互接続の材料特性にデータを関連付けることができます。この測定プロセスとDk/Dfを決定するための変換技術は、伝送線路および共面導波路のTEM限界まで有効です。

フィクスチャを除去した後のテストチャネルのSパラメータを持っている場合、以下の方法のいずれかを使用してSパラメータからDk、Df、磁気透磁率の値に変換することができます。

以下の表は、PCIe 5.0標準に適用される基本的な信号完全性要件のいくつかを示しています。

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各方法の詳細を説明するにはかなりのスペースが必要になるため、いくつかのトピックは将来の記事のために残しておきます。簡単に言うと、これらの方法はPCB基板材料の複素誘電率に対する超越方程式を解くことに依存しています。Sパラメータは、チャネルの入力インピーダンス、長さ、および伝播定数の観点から書き換えられます。上記の反復法は、Sパラメータデータから始めて、各周波数でこの方程式を解くために使用されます。これらの変換のための完全なプロセスについては、Rhode and Schwartzからのこのガイドをご覧ください。

銅の粗さを考慮に入れると、解かなければならない方程式がより複雑になりますが、これらの問題の解決アルゴリズムはまだ比較的単純です。これは私が取り組んでいる今後の論文のトピックであり、後の記事でVNA測定とどのように使用できるかを必ず示します。

インターコネクトのVNA測定を収集・分析したら、重要な設計要件を満たすために必要な設計変更を実施する時です。PCB基板の分散/損失/粗さを考慮する必要がある場合は、Altium Designer^®のスタックアップ設計とレイアウトツールの完全セットを使用してください。設計が完了し、プロジェクトを共有したい場合は、Altium 365™プラットフォームを使用すると、他の設計者と簡単に協力できます。

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