Co pomiary VNA mogą Cię nauczyć na temat Twojego podłoża PCB

Analizatory sieci wektorowych (VNAs) są podstawowym narzędziem do pomiarów integralności sygnału RF i tradycyjnie były używane przez inżynierów mikrofalowych do projektowania komponentów mikrofalowych i anten. Dzisiejsi projektanci cyfrowi pracujący z ultraszybkimi sygnałami muszą myśleć w kategoriach koncepcji mmWave i rozumieć, co oznaczają pomiary VNA, szczególnie pomiary parametrów S i pomiary rezonansowe. Można podziękować ultrawysokim prędkościom narastania i wysokim prędkościom strumienia bitów za przesunięcie szerokości pasma sygnału daleko w zakres GHz, do punktu, w którym projektanci cyfrowi muszą teraz być ekspertami od analogów.

Jeśli wiesz, jak najlepiej interpretować pomiary VNA z twoich połączeń, możesz dowiedzieć się czegoś o właściwościach materiałowych twojego substratu bez niszczenia testów. Możesz również określić, czy twój projekt musi zostać zmieniony, aby spełnić twoje cele integralności sygnału.

Co mierzy VNA?

Teoria działania VNA opiera się w dużej mierze na analizie sieci dla fal propagujących się w sieciach elektrycznych. VNA jest czasami porównywane do multimetru DC, z tą różnicą, że VNA mierzy zachowanie elektryczne dla sygnałów AC. To nie jest dokładnie prawda, ale to krok w dobrym kierunku. „N” w VNA oznacza „network” (sieć), co oznacza, że VNA mierzy, jak sygnał źródłowy wchodzi w interakcję z siecią elektryczną. Typowa konfiguracja pomiarowa z urządzeniem poddawanym testom (DUT) z wieloma portami (N-port) jest pokazana poniżej.

Gdy propagujący sygnał napotyka na sieć elektryczną, część mocy jest odbijana od portu wejściowego, a część mocy jest przekazywana przez każdy port wyjściowy. Odbitą i przekazaną moc można zmierzyć za pomocą VNA (zarówno wielkość, jak i fazę), co może być następnie wykorzystane do określenia parametrów S dla par portów w urządzeniu. VNA może być również używane do pomiaru napięcia na portach wejściowych i wyjściowych, co daje funkcję przenoszenia napięcia dla sieci. Możesz użyć tych danych w szeregu innych analiz.

Wykorzystując te właściwości analizatora sieci wektorowych (VNA), można wnioskować o właściwościach materiałów na podstawie pomiarów VNA. W tych pomiarach można użyć dwóch klas metod, umieszczając badany materiał jako DUT:

• Metody rezonansowe: Polegają na użyciu VNA do porównania zmierzonej częstotliwości rezonansowej dla materiału odniesienia i badanego materiału. Wymaga to użycia struktury testowej falowodu z ustalonym modelem dla częstotliwości rezonansowej jako funkcji Dk i geometrii. Parametry S nie są bezpośrednio mierzone w tej metodzie.
• Metody nerezonansowe: Charakterystyki materiału są określane na podstawie pomiarów parametrów S (moc odbita lub przekazana). Powszechnie używane struktury odniesienia w tym pomiarze to falowody, linie transmisyjne, sondy koaksjalne z otwartym obwodem lub transmisja przez wolną przestrzeń.

Pomiary VNA dla materiałów PCB

Tutaj chciałbym skupić się na nerezonansowejmetodzie parametrów S, ponieważ jest to bardziej powszechne dla projektantów, którzy nie pracują w firmach produkujących laminaty. Istnieje jeden prosty sposób, aby dowiedzieć się czegoś o parametrach materiału i bardziej skomplikowana metoda do bezpośredniego obliczania stałej dielektrycznej/przenikalności magnetycznej.

Limit długiej linii transmisyjnej

Jednym ze sposobów zobaczenia, jak właściwości materiału wpływają na zachowanie sygnału, jest przyjrzenie się długiej linii transmisyjnej i jej pomiarom S21. W przypadku bardzo długiej linii transmisyjnej, można szybko wydobyć średnią wartość Dk dla materiału podłoża, po prostu obserwując nachylenie danych S21 na skali logarytmicznej. Następnie można zobaczyć, jak dyspersja i tangens kąta strat wpływają na straty wstawienia w kanale.

Porównując z materiałem referencyjnym, stałą dielektryczną można określić, patrząc na nachylenie amplitudy i fazy krzywej S21 dla badanego materiału. Jednak jest to ważne tylko wtedy, gdy dyspersja jest stosunkowo mała, a linia bardzo długa; oczywiście, nie obejmuje to każdej sytuacji, takiej jak krótka linia transmisyjna zdominowana przez odbiciatransmission line. Aby wrócić do wartości Dk z pomiarów dla dowolnej długości linii, potrzebujemy bardziej zaawansowanych metod konwersji.

Metody linii transmisyjnej nieresonansowej

Metody nieresonansowe są bardziej prawdopodobne do wykorzystania jako część projektowania i testowania połączeń w przypadku sygnałów wysokiej prędkości, gdzie rzeczywiste połączenie musi zostać ocenione pod kątem użycia ze standardem szerokopasmowego sygnału (np. USB 4). Analizując dane pomiarowe parametrów S nieresonansowych z odłączonymi urządzeniami, dane te mogą być powiązane z właściwościami materiałowymi za pomocą standardowych modeli dla twojego połączenia. Proces pomiarowy i techniki konwersji do określania Dk/Df są ważne aż do limitu TEM dla linii transmisyjnych i falowodów współpłaszczyznowych.

Załóżmy, że masz parametry S dla twojego kanału testowego po odłączeniu. Możesz użyć jednej z następujących metod, aby przekonwertować z twoich parametrów S z powrotem na wartości Dk, Df i przenikalność magnetyczną.

Poniższa tabela zawiera niektóre z podstawowych wymagań integralności sygnału, które mają zastosowanie w standardzie PCIe 5.0.

Ominięcie drobniejszych szczegółów każdej metody zajęłoby sporo miejsca, więc niektóre z nich pozostawię jako tematy na przyszłe artykuły. W skrócie, metody te polegają na rozwiązaniu transcendentalnego równania dla zespolonej stałej dielektrycznej materiału podłoża PCB. Parametry S są przepisywane w terminach impedancji wejściowej kanału, długości i stałej propagacji. Następnie wykorzystywane są wymienione powyżej metody iteracyjne do rozwiązania tego równania dla każdej częstotliwości, zaczynając od danych parametrów S. Zapoznaj się z tym przewodnikiem od Rhode and Schwartz dla kompletnego procesu tych konwersji.

Uwzględnienie szorstkości miedzi czyni równanie do rozwiązania bardziej skomplikowanym, ale algorytmy rozwiązujące te problemy są nadal stosunkowo proste. Jest to temat nadchodzącego artykułu, nad którym pracuję, i na pewno pokażę, jak można to wykorzystać z pomiarami VNA w późniejszym artykule.

Po zebraniu i przeanalizowaniu pomiarów VNA swoich połączeń, nadszedł czas na wprowadzenie potrzebnych zmian projektowych, aby spełnić ważne wymagania projektowe. Gdy musisz uwzględnić dyspersję/straty/chropowatość w substracie swojej płytki PCB, użyj kompletnego zestawu narzędzi do projektowania i układania stosu w Altium Designer®. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał podzielić się swoim projektem, platforma Altium 365™ umożliwia łatwą współpracę z innymi projektantami.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu aby uzyskać bardziej szczegółowy opis funkcji lub jedno z Webinarów na Żądanie.