網絡和電信中的數字系統速度正在不斷提高，這些速度增加的速度也在加速。在很大程度上，這種趨勢正在發生，因為從并行總線（時鐘頻率低于100 MHz）到以每秒多吉比特（gigabits）運行的串行信號路徑的運動。目前，一些系統的運行速度為1.2 Gbps，一些公司正在尋求將速度提高到10 Gbps。

在這些速度下，互連結構（如印刷線路板和連接器）會對數據信號產生負面影響完整性。為了以數千兆位的速度成功傳輸數據，設計人員必須模擬他們的系統，并且通常必須使用非正統的構造技術。這些方法不僅可以增加數字系統生產成本，還可以增加設計成本。

為了理解如何實現多千兆位信號速度，Amp Inc從傳統和替代介電材料制造了一套印刷線路板。工程師使用這些電路板收集有關高速信號特性的大量數據。通過這些數據，工程師能夠預測使用傳統印刷電路板的系統可以達到的最高速度。

測試板設計

設計每個測試板允許確定核心印刷線路板和帶有連接器的典型信號路徑的特性。捕獲基本的印刷線路板特性需要在帶狀線和微帶幾何形狀中構造直的50和75W傳輸線。這些線包括6到18英寸長的單端和差分類型。測試板還包括5至19密耳寬的跡線。改變印刷線路板疊層使得多個板能夠保持恒定的阻抗和走線寬度。包括走線長度，寬度和阻抗的排列使得能夠全面表征許多傳輸結構幾何結構。

為了提供連接器如何影響信號行為的信息，每個測試板都包含一個通過Amp HS3連接器互連子卡的部分。 。為了在典型系統中提供一系列有關信號性能的數據，這些電路板部分還包括走線寬度，長度和阻抗的排列。

電介質材料

在設計電路板后，Amp使用不同的介電材料制作了幾套電路板。所選材料代表了一系列制造商和電氣特性。使用不同的介電材料，設計人員可以量化除傳統FR4之外的材料如何影響高速信號的行為。經過調查，設計人員選擇了玻璃 - 環氧樹脂，聚苯醚（PPO），陶瓷和玻璃纖維增強聚四氟乙烯（PTFE）材料。

第一套板材采用Nelco 4000- 6，高性能型FR4，屬于編織玻璃 - 環氧樹脂材料族。第二組使用了Geok ML200，一種PPO型材料。第三組使用Rogers 4350陶瓷材料。最后一組板使用了Arlon CLTE，一種玻璃纖維增強PTFE材料。表1顯示了制造商為這些材料列出的電氣特性。

表1包括“相對成本”列。這些數據代表了您期望為替代電介質材料與FR4以及由這些材料制成的電路板所支付的近似價格。這些數字是Amp為10×20英寸支付的相對價格。測試背板有12個信號層。 Tyco Printed Circuits（Stafford，CT，1-860-684-5881）構建了所有電路板。

時間與頻率數據

當設計人員完成測試板時，最初的方法是測量時域中的系統輸出眼圖。大多數系統設計人員和信號完整性工程師使用時域信號。眼圖快速指示信號行為。

然而，很快就會發現時域眼圖測試無法提供所有所需信息。首先，測試設備的運行速度只能達到3 Gbps，這太低了，無法滿足項目的目標。其次，當您使用頻率而不是時域數據時，提取材料和傳輸線參數會更容易。

為了解決這兩個問題，設計人員更多地依賴于來自測試板的頻率數據。來自網絡分析儀的數據使頻域測量高達6 GHz，可以對應高達10 Gbps的數字數據速率，具體取決于時域信號的上升時間。網絡分析儀測量可以計算關鍵的介電材料參數，例如介電常數和損耗角正切。傅里葉變換算法可以輕松地將頻率數據轉換為更好理解的時域數據。通過這種方法，工程師可以輕松地分離或“去嵌入”測試結構的影響。

去嵌入測試點

各種測試板上50W帶狀線跡線的初始頻域測量結果表明，所有測量結果均明顯錯誤（圖1）。此錯誤的來源是測試結構每端的測試點。測試點存在顯著的阻抗失配，這會降低頻域測量結果。

為了消除測試點對測量數據的影響，工程師使用了直通反射線（TRL）嵌入。該技術表征并從整體測量中去除測試點引入的可重復測量誤差。圖2顯示了TRL去嵌入對測量數據的影響。黑線顯示測量的S 21 幅度，藍線顯示去嵌入的S 21 幅度。正如所料，S 21 向上移動，因為在去除反射后更多的能量通過結構。請注意，S 11 現在在所有頻率都為零，因為匹配的50W系統中沒有反射。

去嵌入頻率數據對于每種材料中的板跡，然后允許提取基本材料參數。您可以從S 21 的相速度數學推導材料的介電常數，并從S 材料的損耗角正切21 的幅度。圖3顯示了每種電路板材料的測量的去嵌入介電常數。圖4顯示了相應的損耗角正切。

注意每個基本材料參數如何隨頻率變化。您可以輕易忽略這種頻率依賴性，因為大多數材料制造商只提供一對假設恒定的介電常數值和材料的損耗角正切。

圖3和圖4中的值略高于那些材料制造商提供。預測值和測量值之間的這種差異可能是由于在電路板制造期間在電介質材料中發生的變化。圖3和圖4中的數據代表了每種介電材料的最基本特性。了解材料的介電常數和損耗角正切可以精確建模有損傳輸線結構。

時域變換

因為大多數系統設計人員在檢查時域眼圖時感覺很舒服評估互連結構的性能，本文將轉換后的頻域數據呈現為時域眼圖。從測試板組的眼圖數據中，您可以得出有關傳輸線和互連結構的速度限制的結論。

圖5顯示了將頻域數據轉換為時域的技術眼睛圖案。該過程涉及幾個步驟。輸入位模式轉換到頻域，然后乘以電路的頻率響應。然后將該乘法的乘積（逆）變換回時域。結果是輸出位模式，如果輸入位模式已通過互連，您將看到輸出位模式。覆蓋此位模式的各個位會產生輸出眼圖。

將測量的3-Gbps眼圖與經過轉換的3-Gbps眼圖進行比較，驗證了該方法（圖6和圖7）。圖6顯示了直接測量的18英寸眼圖。 FR4中的路徑。圖7顯示了通過將頻域測量轉換為時域而為相同路徑創建的眼圖。幾乎精確的相關性提供了變換技術的可信度。

帶狀線性能

去嵌入和變換技術產生的結果是所有介質材料中的50W帶狀線跡線的比特率一樣高為9.6 Gbps。該數據涵蓋5至19密耳寬，6至18英寸長的跡線。數據顯示，對于給定的跡線長度，您可以從Rogers 4350中更窄的跡線獲得與傳統FR4中更寬的跡線相同的信號性能。相反，使用固定的跡線寬度，您可以在Arlon CLTE中實現相同的信號保真度，使用的跡線是FR4中的兩倍。

通常，測試數據顯示Rogers 4350和Arlon CLTE提供了顯著的電氣優于FR4和Getek的優勢。圖8顯示了通過50W，12密耳，18英寸的60-psec，9.6-Gbps，K28.5信號的輸出眼圖性能。每種材料中的帶狀線跡線。 （K28.5是行業標準位模式-1100000101-用于空閑模式。）Rogers 4350和Arlon CLTE的最大眼圖開口分別為426和520 mV，而FR4和Getek的開口僅為238和268 mV，分別。在這種高數據速率下，Rogers 4350和Arlon CLTE材料的開眼率幾乎是FR4的兩倍。替代介電材料的優點很明顯。更重要的是，圖8顯示印刷線路板材料可以在合理距離內支持接近10 Gbps的數字信號傳輸速度。

系統性能

從系統角度來看，印刷線路板的集膚效應和介電損耗只是整體信號衰減的兩個因素。要確定在系統中使用替代介電材料的優勢，還必須包括連接器和鍍通孔的效果。這些效應在確定輸出信號質量以及是否可以通過系統發送10 Gbps方面發揮著關鍵作用。

測試板的子卡到背板到子卡部分允許檢查信號性能。一個系統。這些連接類似于測試板的僅跟蹤部分，除了每個信號路徑包括兩個Amp HS3連接器。圖9顯示了其余示例的信號路徑的連接器位置和尺寸。測試點和其他不連續性影響仍保留在系統測試數據中，因為這些影響顯示了真實系統組件如何降低信號性能。為了測量信號衰減，工程師逐步提高了數據速率。

在2.4 Gbps時，系統的輸出眼圖顯示所有四種介電材料都允許令人滿意的系統操作（圖9）。輸入比特幅度為1V時，FR4材料中最差情況下最大輸出眼圖開度為2.4 Gbps，為733 mV。 Getek，Rogers 4350和Arlon CLTE都顯示出超過790 mV的最大眼圖開度。

在4.8 Gbps時，系統產生了微不足道的結果。在FR4和Getek中，最大輸出眼圖開度分別僅為218和227 mV。在Rogers 4350和Arlon CLTE中，眼孔分別為378和516 mV（圖10）。對眼圖的檢查表明，FR4和Getek的系統性能在4.8 Gbps時可能是不可接受的。相比之下，Rogers 4350和Arlon CLTE都提供了足夠的改進，可提供可能接受的系統性能。

在9.6 Gbps時，系統使用任何介電材料都會產生不可接受的結果。所有輸出眼圖都被關閉（圖11）。當您將圖11的9.6-Gbps系統結果與圖8的9.6-Gbps僅跟蹤結果進行比較時，您會發現將互連結構引入信號路徑會顯著降低信號質量。雖然僅以9.6 Gbps的跟蹤性能是合理可接受的，但即使使用替代介電材料，系統在相同速度下的性能也是不可接受的。

在信號速度低于2.4 Gbps時，替代介電材料提供了FR4的優勢有限。在大約4.8 Gbps的速度下，Getek的性能與良好的FR4相似，而Rogers 4350和Arlon CLTE的性能明顯更好。在接近9.6 Gbps的速度下，替代介電材料可提高跟蹤性能，但系統組件（如連接器和電鍍通孔）往往會主導信號損失。因此，在9.6 Gbps時，系統的行為方式不能反映替代介電材料的性能改進，并且往往與FR4系統的行為無法區分。

結論

檢查穿過每種測試板材料的高速信號，可以發現Rogers 4350和Arlon CLTE在Getek和傳統FR4上都有顯著的性能提升。使用Rogers 4350和Arlon CLTE等材料，只要使用合理的走線寬度，就可以通過18英寸，50V線條印刷線路板結構以接近10 Gbps的速率成功傳輸數字信號。