[SI-LIST] Re: Differential vs. SE for PCB Dk/Df extraction

  • From: "C.C. Hwang" <cchwang2013@xxxxxxxxx>
  • To: shlepnev@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Thu, 25 May 2017 09:50:53 -0700

Hi Yuriy,

It's probably a matter of semantics, but eigenvalue, idealized
insertion loss, modal propagation constant or GMS all refer to the
eigenvalues of T matrix (which are summarized in one equation in page
25 of http://www.ataitec.com/PDF/MPX.pdf). There's much to like about
the eigenvalue approach due to its simplicity and it may "even" work
under perfect conditions (known cross section, exactly the same launch
and trace, etc.).  I wonder how you verify your results if you don't
have good de-embedded IL, RL, NEXT and FEXT to compare with.

Granted that it's harder to match all de-embedded S parameters and
TDR/TDT than just propagation constants, but there are also many
things to like about our approach (such as self verification and more
tolerant to manufacturing variation) so it would not stop us from
pursuing it.  It was hard to beat a Go master, but it did not stop
AlphaGo...

Regards,
Ching-Chao Huang

On Thu, May 25, 2017 at 7:22 AM, Yuriy Shlepnev <shlepnev@xxxxxxxxxxxxx> wrote:

Ching-Chao,

You stated "Matching only idealized insertion loss (i.e., attenuation and 
phase delay) from eigenvalue solution is a necessary but not sufficient 
condition."
The sufficient conditions for the techniques based on the eigenvalues (and 
for all other technique for that matter) is the identity of the 
cross-sections of the real structure and in the model and the accuracy of the 
field solver used in the identification. As soon as those conditions are 
satisfied and the material models are identified with just 2 GMS-parameters 
or 2 Gammas, all S-parameters will match - we proved it in multiple projects. 
Yes, it is "hard to believe", but this is true :-)  Note that the results 
obtained with any de-embedding technique are also dependent on the 
cross-section and the field solver accuracy. Matching all 10 complex 
S-parameters in differential case (4 complex parameters in case of symmetry 
instead of just 2 in GMS or Gamma technique), you may end up with totally 
wrong dielectric or roughness models, if the cross-section in the model is 
not correct or field solver is not accurate. Have you been in such situation?

Let me also elaborate on the "idealized insertion loss". The modal insertion 
loss and phase delays in GMS-parameters are not "idealized" form of 
S-parameters. It is exact matrix transformation into 2-diagonal form in case 
of S-parameters, and into diagonal form in case of scattering T-matrix. The 
diagonal form of a matrix is the simplest matrix form in the eigenvalue basis 
- it is not an approximation. What makes it an approximation is the 
assumptions about identity of the connector and launches and identity of the 
cross-sections in two line segments. GMS-parameters are very tolerant to 
those variations - see sensitivity investigation at #2011_03 and #2010_03 at 
http://www.simberian.com/AppNotes.php This is no more assumptions as in the ;
de-embedding, where the test fixtures are assumed to be identical and the 
consequences of non-identity on the identified material models are mostly 
un-known. In general, a complete de-embedding is more error-prone, comparing 
to the incomplete de-embedding (that is GMS-parameters) or to the Gamma 
extraction.

Considering the theoretical background of GMS-parameters or Gamma extraction, 
the “eigenvalue” formulation for the T-matrix of the middle segment was first 
suggested by R. A. Soares et. al. in “A Unified mathematical approach to 
two-port calibration techniques and some applications”, MTT, 1989. Though, 
you can find the diagonal exponential form of the T-matrix as early as 1975 
in works of N. Franzen and R. Speciale from Tektronix (they tried to solve 
the problem directly). The eigenvalue formulation was extended to 
multi-conductor lines by Sequinot et. al in 1998. The math behind it simple 
and magic at the same time and is based on the fact that T-matrix of a t-line 
segment is diagonal exponential in modal space with the normalization to the 
modal characteristic impedance - no assumptions or approximations. If 
converted to S-matrix, the result is Generalized Modal S-parameters or 
GMS-parameters without reflection and mode conversion exactly. If you take 
GMS insertion loss and divide by length, you get the attenuation per unit 
length. That is also the real part of the complex propagation constant or 
Gamma. The imaginary part of Gamma can be computed through the phase. Getting 
GMS-parameters can be considered as incomplete de-embedding – no information 
on the characteristic impedance to re-normalize the matrix. But, it is not 
needed, because for the loss evaluation or material identification only 
GMS-parameters or Gammas extracted from them are needed. In general, all 
recently suggested techniques for loss control or material identification are 
now converging to the “eigenvalue” technique. It works for multi-conductor 
lines in general (not just single-ended or differential).

Finally, the result of the identification should be material models suitable 
for the analysis at least in some other EDA tools. Comparison of numerical 
results obtained with different tools or methods should be a part of any tool 
validation, that includes the material models. Though, that could be a 
subject for another discussion :-)

Best regards,
Yuriy

Yuriy Shlepnev, Ph.D.
President, Simberian Inc.
2629 Townsgate Rd., Suite #235, Westlake Village, CA 91361, USA
Office +1-702-876-2882; Fax +1-702-482-7903
Cell +1-206-409-2368; Virtual +1-408-627-7706
Skype: shlepnev

www.simberian.com
Simbeor – Accurate, Productive and Cost-Effective Electromagnetic Signal 
Integrity Software
2010 and 2011 DesignVision Award Winner, 2015 Best In Design&Test Finalist



-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx [mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On ;
Behalf Of C.C. Hwang
Sent: Wednesday, May 24, 2017 5:20 PM
To: Scott McMorrow
Cc: shlepnev@xxxxxxxxxxxxx; John Lin; jose.moreira@xxxxxxxxxxxxx; si-list
Subject: [SI-LIST] Re: Differential vs. SE for PCB Dk/Df extraction

Hi Scott,

We matched all single-ended, common and differential S parameters (magnitude 
and phase of IL, RL, NEXT and FEXT) PLUS all single-ended, common and 
differential TDR/TDT.  It is "self-consistent" because of built-in self 
verification.

Matching only idealized insertion loss (i.e., attenuation and phase delay) 
from eigenvalue solution is a necessary but not sufficient condition.  Return 
loss, for example, is affected by DK and cross-sectional geometry.  The 
cross-sectional geometry in turn affects the surface roughness and DF 
extraction.  It's hard to imagine that matching only idealized insertion loss 
to extract DK/DF will give the same original IL, RL, NEXT, FEXT and TDR/TDT.

Regards,
Ching-Chao Huang

On Wed, May 24, 2017 at 1:39 PM, Scott McMorrow <Scott@xxxxxxxxxxxxx> wrote:
C.C.

I agree with the need for FEXT and NEXT to dial in the characteristics of 
the resin-rich layer between differential pair conductors.  I published this 
in my training years ago.  Another simple way to perform the separation of 
dielectric properties is to use the separation of differential and common 
mode phase delay.

I'm surprised by your omission of phase delay.  Everything you need is 
contained in amplitude and phase.  TDR/TDT is an integration and obscures 
the primary information.  Good for a final check but not the best way to 
identify the primary material parameters.  Of all the measurements you can 
make, phase delay is also the one most free of noise.

Just sayin'.

Scott


Scott McMorrow, CTO Signal Integrity Group Samtec Office 401-284-1827
| +1-800-726-8329 www.samtec.com

-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx
[mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On Behalf Of C.C. Hwang
Sent: Wednesday, May 24, 2017 11:54 AM
To: dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx
Cc: shlepnev@xxxxxxxxxxxxx; John Lin <johnlinc@xxxxxxxxx>;
jose.moreira@xxxxxxxxxxxxx; si-list <si-list@xxxxxxxxxxxxx>
Subject: [SI-LIST] Re: Differential vs. SE for PCB Dk/Df extraction

For accurate DK/DF extraction, we should measure differential traces and 
match all IL, RL, NEXT, FEXT and TDR/TDT after causal de-embedding.  Because 
the glass/resin composite makes PCB stripline structures inhomogeneous, the 
extracted DK/DF will depend on the cross-sectional model being used.  The 
extracted DK/DF can be considered "effective" values and they are self 
consistent with the model being used when all IL, RL, NEXT, FEXT and TDR/TDT 
are matched.
We showed that FEXT and its polarity, among others, can have profound 
implication in DK/DF extraction in a DesignCon paper:
http://www.ataitec.com/PDF/Paper_AfullyautomatedSIPlatform.pdf and
http://www.ataitec.com/PDF/MPX.pdf

Regards,
Ching-Chao Huang
www.ataitec.com



On Wed, May 24, 2017 at 8:28 AM, Bert Simonovich 
<dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx> wrote:
John,

To add to the discussion, the roughness of the copper used in the
fabrication of the core laminate and etching before final lamination
will affect total phase delay which translates into and effective Dk
(Dkeff). So the Dkeff you extract is only good for the particular
geometry measured. It is not the intrinsic Dk of the dielectric material.

See my DesignCon2017 paper,  "A Practical Method to Model Effective
Permittivity and Phase Delay Due to Conductor Surface Roughness".

http://bit.ly/2qWcHPm

Furthermore, since the dielectric is non-homogeneous, the glass
style, resin content, number of dielectric layers used and where the
traces are positioned relative to the glass weave pattern will affect 
results.

Best regards,

Bert Simonovich
Signal/Power Integrity Practitioner | Backplane Specialist | Founder
LAMSIM Enterprises Inc.
Email:Lsimonovich @lamsimenterprises.com Web Site:
http://lamsimenterprises.com
Blog: http://blog.lamsimenterprises.com/


-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx
[mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On Behalf Of Yuriy Shlepnev
Sent: 24-May-17 10:37 AM
To: johnlinc@xxxxxxxxx
Cc: jose.moreira@xxxxxxxxxxxxx; 'si-list'
Subject: [SI-LIST] Re: Differential vs. SE for PCB Dk/Df extraction

Hi John,

Let's take a practical case and analyze possible outcomes - such as
FR408HR in the "Lessons Learned" project - paper #2014_01 at
http://www.simberian.com/AppNotes.php
The dielectric around the strips is mostly resin.
If we use single ended strip and identify one effective model for
dielectric, the result is usable for either single-ended strips or
for loosely coupled differential. Nothing else is needed to cover those 
cases.
If we use tightly coupled differential traces, the complex
propagation constants for differential and common modes will be
different due to the resin around the strips (result of the  spatial
"averaging" of E-field). To identify one dielectric model, we can use
either differential or common mode for the model identification. The
model identified with the common model will be close to the
single-ended case, but not accurate for the differential mode
analysis - does not matter what solver is used. The dielectric model
identified with the differential propagation will be different, but
usable only for the analysis of differential modes in the line with
similar geometry. It will give wrong result for the common mode
propagation. Simply put, isotropic one dielectric model will not be 
sufficient for such case.
Two dielectric models are needed - one for layer around the strips
(resin) and one for the rest of the cross-section (three-layer model for 
strips, anisotropic dielectric is an alternative).
Such model will be more accurately for all cases - single-ended,
loosely and tightly coupled differential for both differential and common 
modes.
Dielectric models for such layered model of the cross-section can be
identified with the two modes in the tightly coupled differential traces.

Best regards,
Yuriy

Yuriy Shlepnev, Ph.D.
President, Simberian Inc.
2629 Townsgate Rd., Suite #235, Westlake Village, CA 91361, USA
Office
+1-702-876-2882; Fax +1-702-482-7903 Cell +1-206-409-2368; Virtual
+1-408-627-7706
Skype: shlepnev

www.simberian.com
Simbeor - Accurate, Productive and Cost-Effective Electromagnetic
Signal Integrity Software 2010 and 2011 DesignVision Award Winner,
2015 Best In Design&Test Finalist



-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx
[mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On Behalf Of John Lin
Sent: Tuesday, May 23, 2017 9:27 PM
To: shlepnev@xxxxxxxxxxxxx
Cc: jose.moreira@xxxxxxxxxxxxx; si-list
Subject: [SI-LIST] Re: Differential vs. SE for PCB Dk/Df extraction

Thank all to shed light on my questions. I appreciate.
 Hi Dr. Yuriy,
          Thank you for your insightful explanation.
       Based on it,  can I conclude that the Dk/Df extraction for
Single Ended shall be close to the that of loosely coupling
differential but different from tightly coupling due to the E field
in between the tightly coupling traces and common mode convention?

If the extracted dk/df are used for simulator to model any
structures, ie SE, tightly/ loosely coupling differential pair
...etc., does Dk/Df extracted from SE makes more sense and more
accurate assuming the tool automatically calculate the E field in
between two tightly coupling differential traces?

Thanks again for helps.

John Lin





2017Е││5Ф°T24Ф?г 04:04О+-"Yuriy Shlepnev"
<shlepnev@xxxxxxxxxxxxx>Е│LИ│?О+

Hi Jose,

Technically, any structure on PCB with measurable parameters can be
used to "tune" the material parameters if we can build a model of the
structure. I agree with your statement that "A simple trace is not a good 
structure".
However, use of Beatty standard with de-embedding may be not the best
approach either. First of all because of the de-embedding (as I can
see in your paper) - that is difficult and error-prone for PCB
materials with inhomogeneous dielectrics and large manufacturing
variations. Also, the number of parameters to match simulations with
measurements is also excessive - reflection and transmission
parameters of the de-embedded structure should be matched
simultaneously. This problem is common for all material
identification techniques based on de-embedding - too complicated and
error-prone for PCBs. So, what is better than a simple trace? - it is
two simple traces :-) S-parameters of two trace segments can be used
to extract either reflection-less generalized modal S-parameters -
the simplest form of S-parameters of a t-line segment for any line
with any number of traces (not an approximation).  It is just one
complex transmission for single ended case and two transmissions for
differential case (reflections and mode transformations are zero by
definition, not by approximation). It is easy to fit same
reflection-less model for a t-line segment, to find the material
properties - the technique is in practical use since 2009 - see
#2010_01 and all papers after that at http://www.simberian.com/AppNotes.php.
The logarithm of the generalized modal transmission parameter divided
by the length difference is the modal complex propagation constant or
Gamma - that can be also used for the material identification in the
same way (sometime called eigenvalue technique). Though, the
techniques with Gamma, such as SPP light with S-parameters (see
#2016_02 at http://www.simberian.com/AppNotes.php), requires one
additional step - taking the logarithms. Usually it is easy step and
produces the same result as the technique with GMS-parameters. And,
as Scott mentioned, both GMS or Gamma techniques allow easy dielectric and 
conductor loss separation.

Considering the single-ended vs. differential, as Gert already
mentioned, the identification results can be very different. This is
because of the layered type of inhomogeneity of the PCB materials. We
always identify some effective permittivity averaged by the applied
electric field. Techniques based on a wide strip line resonator have
preliminary out of plane component of electric field - the identified
value of Dk are good for structures with primarily out of plane
electric field. The other extreme is techniques with E parallel to
dielectric surface - they identify in plane value of Dk. It is
consequence of the layered structure. A strip line with regular width
(close to target impedance) has both out of plane and in plane
electric fields - Dk identified with it will be between the out or plane 
(min value) and in plane (max value).  See more on that and references in 
the "Material World..."
tutorial #2016_01 at
http://www.simberian.com/TechnicalPresentations.php The bottom line
is that the end result of the identification should be usable for the 
modeling of traces within the actual interconnects width range.
Which value would be better for that? - the answer is obvious, the
values identified with the traces used as the actual interconnects.
Values identified with single-ended can be safely used for loosely
coupled differential, simply because of almost the same structure of
the electric field. However, tightly coupled differential traces have
more energy in the out of plane electric field. The space between the
tightly coupled traces with mostly in plane electric field can be
filled mostly with the resin and property of the resin may be
different from the rest of the resin-fiber mixture. That changes the
identified Dk. The effect shows up as difference in the phase or
group delay of the differential and common modes or as NEXT on
single-ended S-parameters. Layered dielectric model should be used in
such cases to improve accuracy for both differential and common mode
modeling. Use of differential traces is essential for such cases -
see examples is at the "Lessons learned..." paper #2014_01 at
http://www.simberian.com/AppNotes.php

Best regards,
Yuriy

Yuriy Shlepnev, Ph.D.
President, Simberian Inc.
2629 Townsgate Rd., Suite #235, Westlake Village, CA 91361, USA
Office
+1-702-876-2882; Fax +1-702-482-7903 Cell +1-206-409-2368; Virtual
+1-408-627-7706
Skype: shlepnev

www.simberian.com
Simbeor - Accurate, Productive and Cost-Effective Electromagnetic
Signal Integrity Software
2010 and 2011 DesignVision Award Winner, 2015 Best In Design&Test
Finalist



-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx
[mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On Behalf Of Moreira, Jose
Sent: Tuesday, May 23, 2017 1:36 AM
To: johnlinc@xxxxxxxxx; si-list
Subject: [SI-LIST] Re: Differential vs. SE for PCB Dk/Df extraction


In my opinion differential or single-ended makes no difference for
Dk/Df extraction. Important is the kind of structure you use. A
simple trace is not a good structure. I suggest a resonant standard like a 
Beatty Standard.

Check the Designcon 2018 paper "Non-Destructive Analysis and EM Model
Tuning of PCB Signal Traces using the Beatty Standard"

Jose

-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx
[mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On Behalf Of John Lin
Sent: Dienstag, 23. Mai 2017 05:53
To: si-list <si-list@xxxxxxxxxxxxx>
Subject: [SI-LIST] Differential vs. SE for PCB Dk/Df extraction

Hi SI gurus,

While using VNA to measurement traces on PCB  for loss and Dk/Df
extraction, my colleagues say the differential handhold probe head
can have wider bandwidth than single ended handhold probe head.  Is it true?
Can someone help to explain the reasons?

 Also, for Dk/Df extraction, which is better structure, using single
ended or  differential traces? Why?

Thank you for helps in advance.

Thanks,
John Lin


------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
                //www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu


------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
                //www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu

------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
                //www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu


------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
                //www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu



---
This email has been checked for viruses by AVG.
http://www.avg.com

------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
                //www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu


------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
                //www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu


------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
                //www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu


------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:     
                //www.freelists.org/archives/si-list
 
Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu
  

Other related posts: