VNA 측정이 PCB 기판에 대해 알려줄 수 있는 것

벡터 네트워크 분석기(VNA)는 RF 신호 무결성 측정의 핵심 장비로 전통적으로 마이크로파 엔지니어들이 마이크로파 구성 요소와 안테나를 설계하는 데 사용되어 왔습니다. 오늘날 초고속 신호를 다루는 디지털 설계자들은 mmWave 개념을 생각하고 VNA 측정이 특히 S-파라미터 측정 및 공진 측정을 포함하여 무엇을 의미하는지 이해해야 합니다. 초고속 에지 속도와 높은 비트스트림 속도 덕분에 신호 대역폭이 GHz 영역까지 밀려나 디지털 설계자들이 이제 아날로그 전문가가 되어야 하는 시점에 이르렀습니다.

연결부의 VNA 측정을 최적으로 해석하는 방법을 알고 있다면, 파괴 테스트 없이 기판의 재료 특성에 대해 알아낼 수 있습니다. 또한, 신호 무결성 목표를 달성하기 위해 설계를 변경해야 할지 여부도 결정할 수 있습니다.

VNA가 무엇을 측정하나요?

VNA의 작동 원리는 전기 네트워크에서 전파되는 파동에 대한 네트워크 분석에 크게 의존합니다. VNA는 때때로 DC 멀티미터와 비교되기도 하지만, VNA는 AC 신호에 대한 전기적 행동을 측정합니다. 이것이 정확히 맞는 설명은 아니지만, 올바른 방향으로의 한 걸음입니다. VNA에서 "N"은 "네트워크"를 의미하며, VNA는 소스된 신호가 전기 네트워크와 어떻게 상호작용하는지를 측정합니다. N-포트 테스트 대상 장치(DUT)를 사용한 전형적인 측정 설정은 아래에 나와 있습니다.

전파 신호가 전기 네트워크에 입사할 때, 일부 전력은 입력 포트에서 반사되고, 일부 전력은 각 출력 포트를 통해 전송됩니다. 반사된 전력과 전송된 전력은 VNA(크기와 위상 모두)에 의해 측정될 수 있으며, 이를 사용하여 장치의 포트 쌍에 대한 S-매개변수를 결정할 수 있습니다. VNA는 입력 및 출력 포트에서의 전압도 측정할 수 있으며, 이를 통해 네트워크의 전압 전달 함수를 제공합니다. 이러한 데이터를 다양한 다른 분석에 사용할 수 있습니다.

이러한 VNA의 특성을 활용함으로써, VNA 측정을 통해 재료의 특성을 추론할 수 있습니다. 이러한 측정에서, 검사할 재료를 DUT로 배치하고 두 가지 방법을 사용할 수 있습니다:

• 공진 방법: 이 방법은 참조 재료와 시험 중인 재료의 측정된 공진 주파수를 VNA로 비교하는 것을 포함합니다. 이는 Dk와 기하학적 형태에 따른 공진 주파수의 함수로 설정된 모델을 사용하는 도파관 시험 구조를 사용하는 것을 요구합니다. 이 방법에서 S-파라미터는 직접 측정되지 않습니다.
• 비공진 방법: 재료 특성은 S-파라미터 측정(반사되거나 전송된 전력)으로 결정됩니다. 이 측정에 사용되는 일반적인 참조 구조는 도파관, 전송선, 개방 회로 동축 프로브 또는 자유 공간을 통한 전송입니다.

PCB 재료를 위한 VNA 측정

여기서, 저는 라미네이트 회사에서 일하지 않는 디자이너들에게 더 일반적인 비공진S-파라미터 방법에 초점을 맞추고 싶습니다. 재료 매개변수에 대해 알아볼 수 있는 간단한 방법과 유전 상수/자기 투자율을 직접 계산하는 더 복잡한 방법이 있습니다.

장 전송선 한계

재료의 특성이 신호 동작에 미치는 영향을 보는 한 가지 방법은 긴 전송선로와 그 S21 측정값을 살펴보는 것입니다. 긴 전송선로의 한계에서, 로그 스케일에서 S21 데이터의 기울기를 보면 기판 재료의 평균 Dk 값을 빠르게 추출할 수 있습니다. 그런 다음 분산과 손실 탄젠트가 채널의 삽입 손실에 어떻게 영향을 미치는지 볼 수 있습니다.

참조 재료와 비교하여, 시험 중인 재료의 S21 곡선의 크기와 위상의 기울기를 보면 유전 상수를 결정할 수 있습니다. 그러나, 이는 분산이 상대적으로 작고 선로가 매우 길 때만 유효합니다; 분명히, 이는 반사가 지배적인 짧은 전송선로와 같은 모든 상황을 다루지는 않습니다. 어떤 선로 길이에 대해서도 측정값에서 Dk 값을 되돌리려면, 더 정교한 변환 방법이 필요합니다.

비공진 전송선로 방법

비공진 방법은 고속 신호의 상호연결 설계 및 테스트에 사용될 가능성이 더 높으며, 실제 상호연결이 광대역 신호 표준(예: USB 4)과 함께 사용될 수 있는지 평가해야 합니다. 비공진 S-파라미터 데이터 측정을 디임베딩된 픽스처와 함께 보면, 데이터를 상호연결을 위한 표준 모델을 사용하여 재료 속성과 관련 지을 수 있습니다. 이 측정 과정과 Dk/Df를 결정하기 위한 변환 기술은 전송선과 동축 평면 도파관의 TEM 한계까지 유효합니다.

디임베딩 후 테스트 채널의 S-파라미터를 가지고 있다면, 다음 방법 중 하나를 사용하여 S-파라미터에서 Dk, Df 및 자기 투자율 값으로 변환할 수 있습니다.

아래 표는 PCIe 5.0 표준에 적용되는 일부 기본 신호 무결성 요구 사항을 나열합니다.

각 방법의 미세한 점을 설명하는 데는 상당한 공간이 필요하므로, 일부 주제는 미래의 기사로 남겨두겠습니다. 간단히 말해서, 이러한 방법들은 PCB 기판 재료의 복소 유전 상수에 대한 초월 방정식을 푸는 데 의존합니다. S-파라미터는 채널의 입력 임피던스, 길이, 그리고 전파 상수의 관점에서 다시 작성됩니다. 위에 나열된 반복적인 방법들은 S-파라미터 데이터로부터 시작하여 각 주파수에서 이 방정식을 풀기 위해 사용됩니다. 이러한 변환을 위한 전체 과정에 대해서는 Rhode and Schwartz에서 제공하는 이 가이드를 참조하세요.

구리 거칠기를 고려하는 것은 해결해야 할 방정식을 더 복잡하게 만들지만, 이 문제들을 위한 해결 알고리즘은 여전히 비교적 간단합니다. 이것은 제가 작업 중인 다가오는 논문의 주제이며, 나중에 VNA 측정과 함께 이것을 어떻게 사용할 수 있는지 보여드리겠습니다.

인터커넥트의 VNA 측정값을 수집하고 분석한 후에는 중요한 설계 요구 사항을 충족하기 위해 필요한 설계 변경을 구현할 시간입니다. PCB 기판의 분산/손실/거칠기를 고려해야 할 때는 Altium Designer®의 완벽한 스택업 설계 및 레이아웃 도구 세트를 사용하세요. 설계를 마치고 프로젝트를 공유하고 싶을 때는 Altium 365™ 플랫폼이 다른 디자이너와 협업하기 쉽게 해줍니다.

Altium Designer와 Altium 365에서 할 수 있는 것의 표면만 긁어본 것입니다. 더 심층적인 기능 설명이나 제품 페이지에서 확인하거나 온디맨드 웨비나 중 하나를 확인할 수 있습니다.