O Que as Medidas de VNA Podem Ensinar Sobre o Substrato da Sua PCB

Analisadores de rede vetorial (VNAs) são os pilares das medições de integridade de sinal RF e tradicionalmente foram usados por engenheiros de micro-ondas para projetar componentes de micro-ondas e antenas. Os designers digitais de hoje, trabalhando com sinais ultra-rápidos, precisam pensar em termos de conceitos de mmOnda e entender o que as medições de VNA significam, especificamente medições de parâmetro-S e medições ressonantes. Você pode agradecer às taxas de transição ultra-rápidas e às altas taxas de bitstream por empurrar as larguras de banda de sinal bem para o regime de GHz, a ponto de os designers digitais agora precisarem ser especialistas em analógico.

Se você souber como interpretar melhor as medições de VNA de suas interconexões, você pode aprender algo sobre as propriedades do material do seu substrato sem testes destrutivos. Você também pode determinar se o seu design precisa mudar para atender aos seus objetivos de integridade de sinal.

O Que um VNA Mede?

A teoria de operação por trás de um VNA depende fortemente da análise de redes para ondas que se propagam em redes elétricas. Um VNA é às vezes comparado a um multímetro DC, exceto que o VNA mede o comportamento elétrico para sinais AC. Isso não é exatamente correto, mas é um passo na direção certa. O “N” em VNA significa “rede”, indicando que o VNA mede como um sinal fornecido interage com uma rede elétrica. Uma configuração de medição típica com um dispositivo sob teste (DUT) de N-portas é mostrada abaixo.

Quando um sinal propagante incide sobre uma rede elétrica, parte da potência é refletida a partir do porto de entrada, e parte da potência é transmitida através de cada porto de saída. A potência refletida e transmitida pode ser medida pelo VNA (tanto em magnitude quanto em fase), o que pode então ser usado para determinar os parâmetros S para pares de portas no dispositivo. Um VNA também pode ser usado para medir a tensão nos portos de entrada e saída, o que fornece a função de transferência de tensão para a rede. Você pode usar esses dados em uma gama de outras análises.

Ao aproveitar essas características de um VNA, as propriedades dos materiais podem ser inferidas a partir de medições com VNA. Nessas medições, você pode usar duas classes de métodos com o material a ser examinado colocado como o DUT:

• Métodos ressonantes: Estes envolvem o uso do VNA para comparar a frequência de ressonância medida para um material de referência e o material sob teste. Isso requer o uso de uma estrutura de teste de guia de onda com um modelo estabelecido para a frequência de ressonância como uma função de Dk e geometria. Parâmetros-S não são medidos diretamente neste método.
• Métodos não ressonantes: As características do material são determinadas a partir de medições de parâmetros-S (potência refletida ou transmitida). Estruturas de referência comuns usadas nesta medição são guias de onda, linhas de transmissão, sondas coaxiais de circuito aberto ou transmissão através do espaço livre.

Medições VNA para Materiais de PCB

Aqui, gostaria de focar em um método de parâmetro-S não ressonante pois este é mais comum para designers que não trabalham em empresas de laminados. Há uma maneira simples de aprender algo sobre os parâmetros do seu material e um método mais complexo para calcular diretamente a constante dielétrica/permeabilidade magnética.

Limite de Linha de Transmissão Longa

Uma maneira de ver como as propriedades dos materiais afetam o comportamento do sinal é observar uma linha de transmissão longa e suas medições S21. No limite de uma linha de transmissão longa, você pode rapidamente extrair um valor médio de Dk para o material do substrato simplesmente olhando para a inclinação dos dados S21 em uma escala logarítmica. Você pode então ver como a dispersão e o tangente de perda afetam a perda de inserção no canal.

Ao comparar com um material de referência, a constante dielétrica pode ser determinada olhando para a inclinação da magnitude e fase da sua curva S21 para o seu material em teste. No entanto, isso só é válido quando a dispersão é relativamente pequena, e a linha é muito longa; obviamente, isso não cobre todas as situações, como uma linha de transmissão curta dominada por reflexão. Para voltar aos valores de Dk a partir de medições para qualquer comprimento de linha, precisamos de métodos de conversão mais sofisticados.

Métodos de Linha de Transmissão Não Ressonantes

Métodos não ressonantes são mais propensos a serem usados como parte do design e teste de interconexão para sinais de alta velocidade, onde uma interconexão real precisa ser avaliada para uso com um padrão de sinalização de banda larga (broadband signaling) (por exemplo, USB 4). Ao observar os dados de medição de parâmetros S não ressonantes com dispositivos desembarcados, os dados podem ser relacionados de volta às propriedades do material usando modelos padrão para sua interconexão. Esse processo de medição e técnicas de conversão para determinar Dk/Df são válidos até o limite TEM para linhas de transmissão e guias de onda coplanares.

Suponha que você tenha os parâmetros S para seu canal de teste após o desembarque. Você pode usar um dos seguintes métodos para converter dos seus parâmetros S de volta para valores de Dk, Df e permeabilidade magnética.

A tabela abaixo lista alguns dos requisitos básicos de integridade de sinal que se aplicam no padrão PCIe 5.0.

Detalhar os pontos mais finos de cada método ocuparia um espaço considerável, então deixarei alguns destes como tópicos para artigos futuros. Em resumo, esses métodos dependem da resolução de uma equação transcendental para a constante dielétrica complexa do material do substrato da PCB. Os parâmetros S são reescritos em termos da impedância de entrada do canal, comprimento e constante de propagação. Os métodos iterativos listados acima são então usados para resolver esta equação em cada frequência, começando pelos dados dos parâmetros S. Dê uma olhada neste guia da Rhode and Schwartz para um processo completo dessas conversões.

Considerar a asperidade do cobre torna a equação a ser resolvida mais complicada, mas os algoritmos de solução para esses problemas ainda são relativamente simples. Este é o tópico de um artigo que estou trabalhando, e com certeza mostrarei como isso pode ser usado com medições VNA em um artigo posterior.

Depois de reunir e analisar as suas medições VNA dos seus interconectores, é hora de implementar as alterações de design necessárias para que você atenda aos importantes requisitos de design. Quando precisar levar em conta a dispersão/perda/aspereza no substrato da sua PCB, use o conjunto completo de ferramentas de design e layout de empilhamento no Altium Designer. Quando você terminar o seu design e quiser compartilhar o seu projeto, a plataforma Altium 365 facilita a colaboração com outros designers.

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