Modeling and measurement of mode-conversion and frequency dependent loss in high-speed serial interconnection have been studied. We proposed the modeling algorithm and new mixed-mode s-parameter to model differential line considering mode-conversion using 2-port VNA. The proposed modeling procedure is based on 2-port s-parameter measurement using 2-port VNA. But, it is hard to measure differential line using 2-port VNA, because differential line is 4-port network. However, if open and short patterned differential lines are measured and we use the proposed mixed-mode s-parameter, it is possible to extract all of differential-mode, common-mode parameters considering mode-conversion and frequency dependent loss. Using the proposed modeling procedure, we have successfully modeled, measured, and studied three types of unbalanced differential line structures representing typical cases structures in practical PCB designs. The unbalanced structures for this study include trace width mismatch and ground proximity mismatch. From the measurements and the analysis, it is verified that the line imbalance and the loss are well reflected by the proposed model. The proposed model and the model parameters were successfully verified by a lattice diagram analysis, by DTC conversion TDR and TDT measurements and by eye-diagrams. We simulated and measured differential-mode signals converted from common-mode SSN between power/ground planes. Since the proposed model can consider both DTC and CTD mode-conversion effect. The differential-mode signals converted from common-mode SSN can be estimated accurately.
The proposed model can be effectively used to estimate the impact on signal integrity by the line imbalance resulting from unwanted process uniformity variation or unavoidable design circumstances. In addition, it can also be used to minimize the risk at an initial PCB design. Furthermore, the model is helpful to understand and solve the source of signal integrity problems and to provide proper design solutions.
본 논문을 통해 초고속 직렬 신호선에서 발생되는 모드 변환 및 주파수 의존 손실에 대해 모델링과 측정에 관한 연구가 진행되었다. 2 포트 네트웍 분석기를 이용하여 모드 변환을 고려한 차동전송선의 모델을 하기 위해 새로운 mixed-mode s-parameter를 제안하였다. 제안된 모델링 과정은 2 포트 네트웍 분석기를 이용한 2 포트 s-parmeter측정법을 근간으로 하고 있다. 그러나 차동전송선은 4 포트를 가지는 네트웍이기 때문에 2 포트 네트웍 분석기로 측정하기란 어려운 일이다. 하지만, open이나 short되어 있는 차동전송선을 측정하고 새로이 제안된 mixed-mode s-parameter를 사용한다면 모드 변환 및 주파수의존 손실을 고려한 differential-mode와 common-mode parameter들을 모두 추출해 낼 수 있다. 제안된 모델링 과정을 통해 3종류의 균형이 깨져있는 차동전송선에 대해 성공적으로 모델 및 측정을 하였다. 본 연구에 사용된 3종류의 차동전송선은 차동전송선의 두 신호선의 폭이 다른경우, ground plane이 한쪽 신호선에만 위치한 경우 마지막으로 한쪽 신호선 아래에만 ground plane이 존재하는 경우이다. 측정과 분석을 통해 차동전송선의 불균형과 손실을 모델에 반영되었으며 Lattice diagram분석과 DTC conversion TDR, TDT측정 그리고 eye-diagram을 통해 제안된 모델과 추출된 모델 파라미터들은 성공적으로 입증되었다. 마지막으로 본 논문에서는 Power와 ground plane사이에 존재하는 common-mode SSN으로부터 전환된 differential-mode 신호에 대해 simulation및 측정을 수행하였다. 제안된 모델은 DTC 뿐만 아니라 CTD 모드변환에 대한 영향을 고려할 수 있기 때문에 common-mode SSN으로부터 전환된 differential-mode 신호를 정확히 예측할 수 있다.
제안된 모델은 원치 않는 공정오차 또는 피할 수 없는 디자인 환경으로부터 오는 차동전송선의 불균형에 의해 신호 무결성에 미치는 영향을 예측하기 위해 효과적으로 사용할 수 있으며, 초기 인쇄회로기판 설계시의 위험도를 최소화 할 수 있다. 뿐만 아니라, 제안된 모델은 신호 무결성 문제의 원인을 이해하고 해결하는데 도움이 될 뿐만 아니라 적당한 설계를 위한 해결책을 제시하는데 도움을 줄 것으로 기대한다.
