Những Gì Bạn Có Thể Học Từ Các Phép Đo VNA Về Substrate PCB của Bạn

Các máy phân tích mạng vectơ (VNAs) là công cụ không thể thiếu trong việc đo lường tính toàn vẹn tín hiệu RF và truyền thống được sử dụng bởi các kỹ sư vi sóng để thiết kế các thành phần vi sóng và ăng-ten. Ngày nay, các nhà thiết kế kỹ thuật số làm việc với tín hiệu cực nhanh cần phải suy nghĩ theo khái niệm sóng mm và hiểu ý nghĩa của các phép đo VNA, cụ thể là phép đo tham số S và phép đo cộng hưởng. Bạn có thể cảm ơn tốc độ biên cực nhanh và tốc độ bit cao đã đẩy băng thông tín hiệu vào tận khu vực GHz, đến mức mà các nhà thiết kế kỹ thuật số giờ đây cần phải là chuyên gia về analog.

Nếu bạn biết cách giải thích tốt nhất các phép đo VNA từ các kết nối của mình, bạn có thể học được điều gì đó về tính chất vật liệu của lớp nền mà không cần phá hủy. Bạn cũng có thể xác định liệu thiết kế của mình cần thay đổi để đạt được mục tiêu tính toàn vẹn tín hiệu của bạn hay không.

VNA Đo Lường Điều Gì?

Lý thuyết hoạt động đằng sau một VNA chủ yếu dựa vào phân tích mạng cho các sóng lan truyền trong mạng điện. Một VNA đôi khi được so sánh với một đồng hồ đo điện DC, ngoại trừ việc VNA đo hành vi điện của tín hiệu AC. Điều này không hoàn toàn chính xác, nhưng đó là một bước đi đúng hướng. Chữ “N” trong VNA có nghĩa là “mạng,” có nghĩa là VNA đo cách một tín hiệu được cung cấp tương tác với một mạng điện. Một cấu hình đo lường tiêu biểu với một thiết bị dưới sự kiểm tra (DUT) có n cổng được hiển thị bên dưới.

Khi một tín hiệu lan truyền gặp một mạng điện, một phần công suất sẽ được phản xạ từ cổng vào, và một phần công suất sẽ được truyền qua mỗi cổng ra. Công suất phản xạ và truyền qua có thể được đo bởi VNA (cả độ lớn và pha), từ đó có thể được sử dụng để xác định các thông số S cho các cặp cổng trên thiết bị. Một VNA cũng có thể được sử dụng để đo điện áp tại các cổng vào và ra, từ đó cho phép xác định hàm chuyển điện áp cho mạng lưới. Bạn có thể sử dụng những dữ liệu này trong một loạt các phân tích khác.

Bằng cách tận dụng những đặc tính này của VNA, các tính chất vật liệu có thể được suy luận từ các phép đo VNA. Trong những phép đo này, bạn có thể sử dụng hai loại phương pháp với vật liệu cần được kiểm tra đặt như là DUT:

• Phương pháp cộng hưởng: Điều này bao gồm việc sử dụng VNA để so sánh tần số cộng hưởng đo được cho một vật liệu tham chiếu và vật liệu đang được kiểm tra. Điều này đòi hỏi sử dụng một cấu trúc thử nghiệm sóng dẫn với một mô hình đã được thiết lập cho tần số cộng hưởng dưới dạng một hàm của Dk và hình dạng. S-parameters không được đo trực tiếp trong phương pháp này.
• Phương pháp không cộng hưởng: Các đặc tính vật liệu được xác định từ các phép đo S-parameter (công suất phản xạ hoặc truyền qua). Các cấu trúc tham chiếu phổ biến được sử dụng trong phép đo này là sóng dẫn, đường truyền, đầu dò đồng trục mạch mở, hoặc truyền qua không gian tự do.

Phép đo VNA cho Vật liệu PCB

Ở đây, tôi muốn tập trung vào phương phápS-parameter không cộng hưởng vì đây là phương pháp phổ biến hơn đối với những người thiết kế không làm việc tại các công tylaminate. Có một cách đơn giản để tìm hiểu một số thông tin về các tham số vật liệu của bạn và một phương pháp phức tạp hơn để tính toán trực tiếp hằng số điện môi/từ thẩm.

Giới hạn Đường Truyền Dài

Một cách để xem xét ảnh hưởng của tính chất vật liệu đối với hành vi tín hiệu là quan sát một đường truyền dài và các phép đo S21 của nó. Trong trường hợp giới hạn của một đường truyền dài, bạn có thể nhanh chóng trích xuất giá trị Dk trung bình cho vật liệu nền chỉ bằng cách nhìn vào độ dốc của dữ liệu S21 trên một thang đo log. Bạn có thể sau đó xem xét sự phân tán và góc mất mát ảnh hưởng đến mất mát chèn trong kênh như thế nào.

Bằng cách so sánh với một vật liệu tham chiếu, hằng số điện môi có thể được xác định bằng cách nhìn vào độ dốc của độ lớn và pha của đường cong S21 cho vật liệu của bạn đang kiểm tra. Tuy nhiên, điều này chỉ hợp lệ khi sự phân tán tương đối nhỏ, và đường dây rất dài; rõ ràng, điều này không bao gồm mọi tình huống, chẳng hạn như một đường truyền ngắn chủ yếu bị phản xạđường truyền. Để quay trở lại giá trị Dk từ các phép đo cho bất kỳ chiều dài đường dây nào, chúng ta cần những phương pháp chuyển đổi tinh vi hơn.

Phương pháp Đường Truyền Không Cộng Hưởng

Các phương pháp không cộng hưởng có khả năng được sử dụng như một phần của thiết kế và kiểm tra kết nối liên lạc cho các tín hiệu tốc độ cao, nơi một kết nối thực sự cần được đánh giá để sử dụng với tiêu chuẩn tín hiệu rộng băng thông (ví dụ, USB 4). Bằng cách xem xét dữ liệu đo S-parameter không cộng hưởng với các bộ chia tín hiệu đã được loại bỏ, dữ liệu có thể được liên kết trở lại với các tính chất vật liệu sử dụng các mô hình tiêu chuẩn cho kết nối của bạn. Quy trình đo lường này và các kỹ thuật chuyển đổi để xác định Dk/Df hợp lệ đến giới hạn TEM cho đường truyền và dẫn sóng đồng mặt phẳng.

Giả sử bạn có các S-parameters cho kênh kiểm tra của mình sau khi đã loại bỏ chia tín hiệu. Bạn có thể sử dụng một trong các phương pháp sau để chuyển đổi từ S-parameters của bạn trở lại các giá trị Dk, Df và độ từ thẩm.

Bảng dưới đây liệt kê một số yêu cầu về tính toàn vẹn tín hiệu cơ bản áp dụng trong tiêu chuẩn PCIe 5.0.

Việc đi sâu vào từng phương pháp sẽ chiếm khá nhiều không gian, vì vậy tôi sẽ để một số chủ đề này cho các bài viết tương lai. Nói ngắn gọn, các phương pháp này dựa vào việc giải một phương trình siêu việt cho hằng số điện mô phức của vật liệu nền PCB. Các thông số S được viết lại dưới dạng trở kháng đầu vào của kênh, chiều dài và hằng số truyền dẫn. Các phương pháp lặp lại được liệt kê ở trên sau đó được sử dụng để giải phương trình này tại mỗi tần số, bắt đầu từ dữ liệu thông số S. Hãy xem hướng dẫn này từ Rhode và Schwartz để có quy trình hoàn chỉnh cho những chuyển đổi này.

Việc tính toán cho độ gồ ghề của đồng làm cho phương trình cần giải trở nên phức tạp hơn, nhưng các thuật toán giải quyết cho những vấn đề này vẫn khá đơn giản. Đây là chủ đề của một bài báo sắp tới mà tôi đang làm việc, và tôi sẽ chắc chắn cho thấy làm thế nào điều này có thể được sử dụng với các phép đo VNA trong một bài viết sau.

Sau khi bạn đã thu thập và phân tích các phép đo VNA của các kết nối liên lạc, đã đến lúc thực hiện các thay đổi thiết kế cần thiết để đáp ứng các yêu cầu thiết kế quan trọng. Khi bạn cần tính đến sự phân tán/mất mát/độ nhám trên lớp nền PCB của mình, hãy sử dụng bộ công cụ thiết kế và bố trí lớp chồng đầy đủ trong Altium Designer®. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn chia sẻ dự án của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác với các nhà thiết kế khác trở nên dễ dàng.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.