Чему могут научить вас измерения ВЧА о подложке вашей печатной платы

Векторные анализаторы цепей (VNA) являются основными инструментами для измерений целостности RF сигналов и традиционно использовались инженерами-микроволновиками для проектирования микроволновых компонентов и антенн. Сегодняшние цифровые дизайнеры, работающие с ультрабыстрыми сигналами, должны мыслить в терминах концепций миллиметровых волн и понимать значение измерений VNA, в частности измерений параметров S и резонансных измерений. Благодаря ультрабыстрым фронтам сигналов и высоким скоростям потоков данных ширина полосы сигналов выходит за пределы ГГц, что теперь требует от цифровых дизайнеров быть экспертами в аналоговой схемотехнике.

Если вы знаете, как лучше всего интерпретировать измерения VNA ваших соединений, вы можете узнать что-то о свойствах материала вашей подложки без разрушающего контроля. Вы также можете определить, нужно ли изменить ваш дизайн, чтобы достичь целей по целостности сигнала.

Что измеряет VNA?

Теория работы, лежащая в основе векторного анализатора цепей (VNA), в значительной степени опирается на анализ сетей для волн, распространяющихся в электрических сетях. Иногда VNA сравнивают с мультиметром постоянного тока, за исключением того, что VNA измеряет электрическое поведение для сигналов переменного тока. Это не совсем корректно, но это шаг в правильном направлении. "N" в аббревиатуре VNA означает "сеть", то есть VNA измеряет, как сигнал источника взаимодействует с электрической сетью. Ниже показана типичная схема измерений с испытуемым устройством (DUT) на N-портах.

Когда распространяющийся сигнал падает на электрическую сеть, часть мощности отражается от входного порта, а часть мощности передается через каждый выходной порт. Отраженная и переданная мощность может быть измерена VNA (как по величине, так и по фазе), что затем может быть использовано для определения S-параметров для пар портов в устройстве. VNA также может быть использован для измерения напряжения на входных и выходных портах, что дает функцию передачи напряжения для сети. Эти данные можно использовать в ряде других анализов.

Воспользовавшись этими характеристиками векторного анализатора цепей (VNA), можно сделать выводы о свойствах материалов на основе измерений VNA. В этих измерениях можно использовать два класса методов, помещая исследуемый материал в качестве испытуемого устройства (DUT):

• Резонансные методы: Они включают использование VNA для сравнения измеренной резонансной частоты для эталонного материала и материала, подлежащего испытанию. Это требует использования волноводной тестовой структуры с установленной моделью резонансной частоты как функции Dk и геометрии. В этом методе параметры S напрямую не измеряются.
• Нерезонансные методы: Характеристики материала определяются из измерений параметров S (либо отраженной, либо переданной мощности). Общие эталонные структуры, используемые в этих измерениях, - это волноводы, линии передачи, открытые коаксиальные зонды или передача через свободное пространство.

Измерения VNA для материалов печатных плат

Здесь я хотел бы сосредоточиться на нерезонансномметоде параметров S, поскольку он более распространен среди дизайнеров, которые не работают в компаниях, производящих ламинаты. Существует один простой способ узнать что-то о параметрах вашего материала и более сложный метод для прямого расчета диэлектрической проницаемости/магнитной проницаемости.

Предел длинной линии передачи

Один из способов увидеть, как свойства материала влияют на поведение сигнала, - это рассмотреть длинную линию передачи и её измерения S21. В пределе длинной линии передачи вы можете быстро извлечь среднее значение Dk для материала подложки, просто взглянув на наклон данных S21 на логарифмической шкале. Затем вы можете увидеть, как дисперсия и тангенс угла потерь влияют на потери вставки в канале.

Сравнивая с эталонным материалом, диэлектрическую проницаемость можно определить, глядя на наклон величины и фазы вашей кривой S21 для испытываемого материала. Однако это действительно только тогда, когда дисперсия относительно мала, и линия очень длинная; очевидно, это не охватывает каждую ситуацию, такую как короткая линия передачи, доминируемая отражениями. Чтобы вернуться к значениям Dk из измерений для любой длины линии, нам нужны более сложные методы преобразования.

Методы нерезонансной линии передачи

Нерезонансные методы чаще всего используются в рамках проектирования и тестирования соединений для высокоскоростных сигналов, когда необходимо оценить реальное соединение для использования со стандартом широкополосной передачи сигналов (например, USB 4). Анализируя данные измерений S-параметров нерезонансного типа с деэмбеддированными приспособлениями, данные могут быть связаны с материальными свойствами, используя стандартные модели для вашего соединения. Этот процесс измерения и методы преобразования для определения Dk/Df действительны до предела TEM для линий передачи и копланарных волноводов.

Предположим, у вас есть S-параметры для вашего тестового канала после деэмбеддинга. Вы можете использовать один из следующих методов для преобразования ваших S-параметров обратно в значения Dk, Df и магнитной проницаемости.

В таблице ниже перечислены некоторые основные требования к целостности сигнала, которые применяются в стандарте PCIe 5.0.

Обсуждение тонкостей каждого метода заняло бы значительное пространство, поэтому я оставлю некоторые из них в качестве тем для будущих статей. Короче говоря, эти методы основаны на решении трансцендентного уравнения для комплексной диэлектрической постоянной материала подложки ПП. S-параметры переписываются в терминах входного импеданса канала, длины и постоянной распространения. Затем перечисленные выше итерационные методы используются для решения этого уравнения на каждой частоте, начиная с данных S-параметров. Ознакомьтесь с этим руководством от Rhode and Schwartz для полного процесса этих преобразований.

Учет шероховатости меди делает решаемое уравнение более сложным, но алгоритмы решения для этих проблем все еще довольно просты. Это тема предстоящей статьи, над которой я работаю, и я обязательно покажу, как это можно использовать с измерениями VNA в последующей статье.

После того, как вы собрали и проанализировали измерения ВЧА (векторного анализатора цепей) ваших соединений, пришло время внести необходимые изменения в дизайн, чтобы соответствовать важным требованиям к проектированию. Когда вам нужно учесть дисперсию/потери/шероховатость в подложке вашей печатной платы, используйте полный набор инструментов для проектирования стека и размещения в Altium Designer. Когда вы закончили проектирование и хотите поделиться своим проектом, платформа Altium 365 упрощает совместную работу с другими дизайнерами.

Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете проверить страницу продукта для более глубокого описания функций или один из Вебинаров по запросу.