基板メーカーは指定周波数で PCB 伝送線路の試験を要求される場合があります。その際に基板をVNA(Vector Network Analyser) または TDR (Time Domain Reflectometer) で試験する場合があります。本来双方の測定結果は類似するはずです。このアプリケーション ノートでは予想される測定結果の相違について説明します。同時にその相違はマテリアルの問題よりは試験の設定に由来するものだということを付け加えておきます。
PCB
伝送線路（特性インピーダンス導体）で異なる動作周波数どのように振舞うか?
伝送線路の優美なところは理想的な環境ではその振る舞いは周波数に依存しないということです。設計者は劣化を最低限に抑えた高速信号を送るために伝送線路を使用します。これは理想的な条件です。しなしながら、現実の世界では動作周波数が変わると小さな違いが生じます。ここでのキーワードを小さな 変更とします。
PCB 伝送線路の測定値が理想値から逸れる主な物理的特性は比誘電率、つまり基材の Er です。しかしなら、以下のグラフが示すように、ER4 で一般的な伝送線路を 1 から 5GHzまでモデル化した場合の比誘電率の変化による影響はインピーダンスで見る限りほんのわずかです。
測定法によって測定値も異なる？
モデル化した線路を
TDR
で測定すると、実際のインピーダンスを知ることができます。測定したインピーダンスが
TDR
の立ち上がり時間によって変化しないことも気付かれることと思います。それは主に
TDR
の測定値が測定周波数の帯域で構成されているからで、その高周波要素は比較的小さい部分しか占めていません。
線路を VNA で測定すると線路のインピーダンスは TDR の測定値と同じになるはずです。最大でもその誤差は TDR の測定値に比べほんの数オームのはずです。その理由は予想インピーダンスを参照すれば分かります。
VNA は精密なRF 装置です。しかし VNA の設定は TDR よりも難しく、機器間の調整が非常に微妙ですで測定技能が要求されます。 あるケースでは VNA での伝送線路の測定値が 同じ伝送線路を用いたTDR の測定値と 20 〜30 オーム違っていたなどのクレームを聞いたことがあります。このようなことは起きないはずです。その間違いは DUT への高周波のインターコネクトが悪いかまたは共振環境によります。
Zo の測定は難しく、VNAでも同様です。例えば伝送線路の両 端のコネクタはそれぞれの 導体設定に基づいた仕様にしなければなりません。VNA の測定で正しい測定値を得るにはかなりの熟練が必要です。
以下の 表面 microstrip 構造 の Zo 対 Er のグラフにあるように、インピーダンスのモデル化による変化は Er が 4 から 4.2 の範囲では非常に小さなことがわかります（通常 50 オーム Zo に対しおよそ 1 オーム）。.
対称 stripline 構造への影響は類似しています（以下参照）。
測定値の相関はとれるか？
2 番目に、インピーダンスの測定系、または 実験室のTDR がトレーサブルなインピーダンスの基準に対して正確に設定されているか検証する必要があります。また伝送線路の測定インピーダンスが TDR パルス立ち上がり時間に影響を受けないことを確認する必要があります。
3 番目は、VNA を基準インピーダンスサンプルで検証します。
VNA で測定する際に、周波数によって測定インピーダンスに大きなぶれ、つまり 1 GHz 帯でのぶれが 20 オームの場合には伝送線路に関する問題よりはむしろ測定系の設定に問題があります。その際はフィールド ソルバーとマテリアルの仕様を調べ予想値を再度確認します。
