Messung von Übertragungsleitungen bei Betriebsfrequenz

Applikationsschrift 155

Übertragungsleitungen und Test bei Betriebsfrequenz — sollte ein VNA gleiche Ergebnisse zeigen wie ein TDR?

Hintergrundinformation

Manchmal werden Leiterplattenhersteller aufgefordert, Leiterplatten bei einer bestimmten Frequenz zu testen. In manchen Fällen werden die Boards mit einem Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) getestet, in anderen Fällen mit einem Zeitbereichs-reflektometer (TDR). Beide Geräte sollten ähnliche Werte liefern. Diese Applikationsschrift erklärt die Unterschiede in den Testergebnissen und zeigt auf, wo Abweichungen aufgrund von inkorrekten Geräteeinstellungen auftreten können.

Wie verhalten sich Übertragungsleitungen auf (impedanzkontrollierten) Leiterplatten bei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen?

Die Besonderheit einer idealen Übertragungsleitung ist, dass sie sich frequenzunabhängig verhält. Schaltungsentwickler setzen Übertragungsleitungen ein, um Signale möglichst verzerrungsfrei zu übertragen. Dies ist der Idealfall. Unter realen Bedingungen gibt es jedoch geringfügige Änderungen mit Änderungen der Frequenz - die Betonung liegt auf geringfügig.

Die primäre physikalische Eigenschaft, welche eine Abweichung der Übertragungsleitung vom Idealfall bewirkt, ist die Dielektrizitätskonstante Er des Basismaterials. Wie das Modell einer typischen Übertragungsleitung in FR4 von 1GHz bis 5 GHz in folgender Grafik zeigt, ist der Einfluss der Änderung der Dielektrizitätskonstanten auf die Impedanz minimal in Bezug auf die Impedanz.

Ergeben unterschiedliche Messverfahren Abweichungen in den Messergebnissen?

Messen Sie die Leitung mit einem TDR, so werden Sie die tatsächliche Impedanz ermitteln. Sie werden auch feststellen, dass sich die Impedanz nicht mit der TDR-Anstiegszeit ändert, da das TDR-Verfahren mit einem Frequenzgemisch arbeitet, dessen höherfrequente Anteile verhältnismäßig gering sind.

Messen Sie die Leitung mit einem VNA, so sollten die Messergebnisse mit dem TDR korrelieren. Die Abweichung sollte maximal einige Ohm betragen. Diese können auf den Zusammenhang Er/Zo zurückgeführt werden.

VNAs sind Präzisions-HF-Messinstrumente. Diese sind aufwändiger in der Einstellung und die Messung ist stark von der Qualität der Kontaktierung abhängig. In manchen Fällen wurde von Abweichungen in der Größenordnung von 20-30 Ohm im Vergleich zum TDR berichtet. Dies sollte jedoch niemals der Fall sein. Eine Abweichung in dieser Größenordnung hängt immer mit einer ungeeigneten HF-Verbindung zum dem Messobjekt oder mit einem Resonanzeffekt zusammen.

Die Messung von Zo kann sich als schwierig erweisen - auch mit einem VNA. So müssen z.B. die Konnektoren an beiden Enden für jede Leiterbahntype charakterisiert werden. Der VNA erfordert beträchtliche Fachkenntnisse um eine Fehlinterpretation der Ergebnisse zu vermeiden.

Die Grafik unten zeigt typische Änderungen des Er von FR4 mit der Fequenz. Das Er sinkt von 4.15 runter auf ca. 4 bei 5Ghz und bleibt dann weitgehend unverändert über 5GHz. (die Angaben hängen auch vom Glas/Harz-Gemisch ab).

Aus der Grafik Zo vs. Er einer Surface Microstrip Struktur unten kann entnommen werden, dass die berechnete Änderung der Impedanz über einem Er-Bereich von 4 auf 4.2 sehr klein ist (ca. 1 Ohm bei einem Nominalwert von 50 Ohm Zo)

Die Auswirkungen sind ähnlich für eine symmetrische Stripline (Grafik unten)

Wie können die Ergebnisse korreliert werden ?

Zuerst sollte die Leitung mit einem Field Solver modelliert werden, um die "Gesetze der Physik" und deren Zusammenhänge mit der Nominalimpedanz zu verstehen.

Als nächstes sollten Sie Ihr Impedanz-Testsystem oder Labor-TDR mit einem rückführbaren Eichnormal verifizieren. Beachten Sie, dass die gemessene Impedanz der Referenz-Eichleitung unabhängig von der TDR-Pulsanstiegszeit ist.

Drittens, verifizieren Sie Ihren VNA ebenfalls mit einem rückführbaren Eichnormal.

Wenn Sie einen VNA einsetzen und eine signifikante Änderung der Impedanz über der Frequenz feststellen (z.B. 20 Ohm über 1 GHz), so liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Fehler bei der Kontaktierung vor. Vergleichen Sie immer wieder mit den Ergebnisse des Field Solvers und die beachten Sie die Materialcharakteristik

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