S-Parameter-De-Embedding: VNA-Fixture-Effekte entfernen

Das Problem: Ihr VNA misst auch das Gerät

Sie haben gerade die Messung einer 10 cm langen Mikrostreifenspur auf Rogers 4003C abgeschlossen, sie von DC auf 10 GHz umgestellt, und jetzt starren Sie auf eine seltsame Kerbe in S21 um 7 GHz. Ihr erster Instinkt könnte sein, dem Fabhouse die Schuld zu geben. Aber warte mal — wo genau hast du kalibriert? An der Referenzebene des SMA-Steckers oder direkt am Rand der Leiterbahn selbst?

In neun von zehn Fällen haben Sie an den Steckern kalibriert. Das bedeutet, dass diese beiden SMA-Einspeisungen — einschließlich ihrer Durchgangsübergänge, Barrel-Diskontinuitäten und jeglicher Impedanzfehlanpassung am Pad — immer noch in Ihrer Messung enthalten sind. Alles, was Sie in dieser S2P-Datei sehen, beinhaltet die Signalantwort, die zusätzlich zur eigentlichen Messkurve angeordnet ist, die Ihnen wichtig ist. Beim De-Embedding ziehen Sie die Fixture-Ebene ab und konzentrieren sich nur auf das DUT.

Das S-Parameter Analysis Pipeline-Tool verknüpft vier Operationen, die Sie mit einer beliebigen S2P-Datei ausführen können: View, Passivity Check, Time Gate und De-Embed. Gehen wir sie der Reihe nach durch, denn wenn Sie weiterspringen, bedeutet dies in der Regel, dass Sie später zurückgehen.

Schritt 1: Ansehen — Wissen Sie, was Sie gerade sehen

Laden Sie zunächst Ihre 2-Port-Datei aus dem VNA. Stellen Sie die Pipeline mit diesen Parametern in den View-Modus ein:

Dadurch erhalten Sie ein übersichtliches Diagramm von S11 (Rückflussdämpfung) und S21 (Einfügedämpfung) über den gesamten Frequenzbereich, den Ihr VNA erfasst hat. Für eine ordentliche Mikrostreifenspur würden Sie erwarten, dass S11 im größten Teil des Bandes unter −15 dB liegt und sich möglicherweise in der Nähe von Anschlussresonanzen einschleicht. S21 sollte bei steigender Frequenz reibungslos abperlen und dabei den üblichen Kurven für Leiterverlust und dielektrischen Verlust folgen.

Was sagt Ihnen also, dass die Stecker die Messung dominieren? Ein paar rote Fahnen:

• Scharfer S11-Peak unter 2 GHz. Klassisches Zeichen einer SMA-Startrampe, die zu breit ist, um 50 Ω aufrechtzuerhalten.
• Welligkeit in S21 mit einer Periode, die der doppelten elektrischen Länge des Steckverbindergehäuses entspricht. Das entspricht in der Regel einer Hin- und Rückfahrt von 50—100 ps.
• Jede Kerbe, die perfekt zu einer Viertelwellenresonanz des Steckerstifts passt. Wenn Sie die Länge des Stifts nachrechnen, werden Sie feststellen, dass er oft genau dort sitzt, wo die Vertiefung auftritt.

Wenn Ihr S21 bis zu 6 GHz verdächtig flach aussieht und dann wie ein Stein abfällt, stoßen Sie möglicherweise an das eigene Bandbreitenlimit des Anschlusses, anstatt ein echtes DUT-Verhalten zu sehen. Das sollten Sie wissen, bevor Sie der Spur die Schuld geben.

Schritt 2: Passivitätsprüfung — Kalibrierungsfehler frühzeitig erkennen

Bevor Sie Zeit mit Gating und De-Embedding verbringen, sollten Sie einen kurzen Passivitätstest durchführen. Jeder passive, verlustfreie 2-Port muss diese Anforderungen an jedem Frequenzpunkt erfüllen:

Wenn diese Summe irgendwo über 1,0 steigt — auch nur um einen winzigen Betrag wie 0,01 — ist Ihre Datei nicht passiv. Etwas ist schief gelaufen. Die üblichen Verdächtigen:

• Die VNA-Kalibrierung hat sich verändert. Wenn sich die Platinentemperatur seit der Ausführung des Cals um mehr als 5 °C verändert hat, wiederholen Sie den Vorgang.
• Die Portimpedanz stimmt nicht überein. Vielleicht haben Sie die Datei als 50 Ω gespeichert, aber der VNA wurde während des Sweeps tatsächlich auf 75 Ω eingestellt.
• Der Stecker wurde zwischen den Sweeps verschoben. Wenn Sie einen 1-Port-VNA verwenden und die Kabel physisch austauschen, kann dies bei jeder Bewegung zwischen den Messungen von Port 1 und Port 2 auftreten.

Der Passivitätstest zeigt Ihnen genau, wo der schlimmste Verstoß passiert und wie schwerwiegend er ist. Eine 0,5-dB-Verletzung bei 9 GHz bedeutet, dass alles über 8 GHz verdächtig ist. Korrigiere die Kalibrierung. Time-Gating kann eine Passivitätsverletzung nicht reparieren — es wird den Fehler nur auf eine Weise vertuschen, die später schwerer zu erkennen ist.

Schritt 3: Time Gate — Isolieren Sie das DUT

Beim Time Gating werden Ihre S-Parameter-Daten mithilfe einer inversen FFT in den Zeitbereich konvertiert, ein Fenster-Gate nur um die DUT-Antwort herum angewendet und dann mit einer Vorwärts-FFT zurück in die Frequenz konvertiert. Sie erhalten einen S-Parametersatz, bei dem die Antworten der Konnektoren größtenteils unterdrückt wurden.

Nehmen wir an, Sie messen diese 10-cm-Strecke mit SMA-Steckern an beiden Enden. Typische Gate-Parameter wären:

• Mitte des Gates: Stellen Sie es auf den Mittelpunkt der elektrischen Verzögerung der Leiterbahn ein. Bei 10 cm auf FR4 sind das etwa 500 ps.
• Torspannweite: Die elektrische Länge der Leiterbahn plus etwa 100 ps Abstand auf jeder Seite, um eine Beeinträchtigung des Signalsignals zu vermeiden.
• Fensterfunktion: Kaiser-Bessel ist eine gute Wahl. Es reduziert Nebenkeulen im Zeitbereich auf Kosten einer gewissen Frequenzauflösung, aber das ist normalerweise ein guter Kompromiss.

Nachdem Sie das Gate angewendet haben, zeichnen Sie erneut S11 und S21. Sie sollten einige deutliche Änderungen sehen:

• Die S11-Welligkeit sinkt deutlich. Diese Reflexionen von den Anschlüssen sind jetzt ausgeblendet.
• S21 steigt bei hoher Frequenz im Vergleich zur ungatierten Version sogar etwas an. Das liegt daran, dass die Stecker eine zusätzliche Einfügedämpfung hatten, die jetzt beseitigt ist.
• Die 7-GHz-Notch, über die du dir Sorgen gemacht hast? Sie ist entweder weg oder viel flacher. Es stellte sich heraus, dass es eine Steckerresonanz war, kein Trace-Problem.

Ein Haken: Beim Time-Gating ist ein ausreichender Frequenzbereich erforderlich, um die benötigte Auflösung im Zeitbereich zu erhalten. Die Auflösung ist ungefähr$\Delta t = 1/\text{BW}$, ein 10-GHz-Sweep ergibt also eine Auflösung von etwa 100 ps. Wenn Sie versuchen, einen Connector mit einer Verzögerung von 50 ps von einem Trace mit einer Verzögerung von 500 ps zu trennen, indem Sie nur einen 3-GHz-Sweep (333 ps-Auflösung) verwenden, haben Sie Pech gehabt. Die Antworten überschneiden sich zeitlich und können nicht sauber voneinander getrennt werden.

Deshalb kehre ich immer weiter, als ich denke, dass ich müsste. Speicherplatz ist billig, und wenn Sie zusätzliche Bandbreite in der Datei haben, haben Sie später Optionen.

Schritt 4: Entbetten — Wenden Sie das Fixture-Modell an

Time Gating ist nützlich und schnell, aber es handelt sich im Grunde genommen um eine Breitbandangleichung. Für höchste Genauigkeit benötigen Sie eine spezielle Datei zum De-Embedding von Geräten — ein separat gemessenes .s2p nur des SMA-Steckers auf einem kurzen Substrat. Die Pipeline invertiert die S-Matrix des Geräts und kaskadiert sie mit Ihrer DUT-Messung:

Um die Befestigungsdatei zu erstellen, messen Sie eine passende Durchgangsplatte aus. Derselbe Untergrund, gleiche Startgeometrie, jedoch ohne Leiterbahnlänge zwischen den Verbindern. Speichern Sie das als separate S2P-Datei. Laden Sie es dann in den De-Embed-Vorgang:

Sobald Sie die Einbettung aufgehoben haben, sollte der Ausgang S21 nur noch die Dämpfung beim Einfügen der Leiterbahn wiedergeben. Für diese 10 cm große Rogers 4003C-Spur würden Sie etwa −0,5 dB bei 5 GHz und −1,2 dB bei 10 GHz erwarten. Wenn Sie deutlich schlechtere Zahlen sehen, wissen Sie jetzt, dass es sich um ein echtes Problem handelt — einen Platinendefekt, eine Verunreinigung während der Montage oder vielleicht eine Diskontinuität im Layout, die Sie bei der Überprüfung nicht bemerkt haben.

Die meisten Techniker überspringen das Erstellen der richtigen Vorrichtungsdateien, weil es sich wie zusätzliche Arbeit anfühlt. Dann verbringen sie später dreimal so viel Zeit damit, herauszufinden, ob ein Messartefakt echt ist oder nicht. Die Messung der Gerätedatei dauert vielleicht zwanzig Minuten und erspart Ihnen später stundenlanges Durcheinander.

Die endgültige Ausgabe lesen

Nachdem Sie Ihre deeingebetteten S-Parameter endlich zur Hand haben, gibt es drei Zahlen, die für die meisten Designs tatsächlich von Bedeutung sind:

Einfügedämpfung an Ihrer Signalbandbreite. Wenn Sie eine 10-Gbit/s-NRZ verwenden, überprüfen Sie S21 bei 5 GHz — das ist Ihre Nyquist-Frequenz. Halten Sie den Wert über -3 dB, wenn Sie ein übersichtliches Augendiagramm wünschen. Wenn du das unterschreitest, fängst du an, im Zeitbereich gegen ISI zu kämpfen. Rückflussdämpfung im gesamten Band. Ein Wert unter −15 dB (VSWR < 1. 4:1) ist für typische Leiterbahnen akzeptabel. Ein Wert unter -20 dB ist gut. Wenn Sie in der Mitte Ihres Signalbandes weniger als −15 dB hören, liegt irgendwo eine Impedanzdiskontinuität vor, die zu Reflexionen führen wird. Ebenheit der Gruppenverzögerung. Eine Gruppenverzögerung, die mit der Frequenz stark variiert, führt zu Interferenzen zwischen den Symbolen. Die De-Embed-Ausgabe beinhaltet ein Diagramm der Gruppenverzögerung — achten Sie auf Schwankungen, die in Ihrem Signalband unter ±20 ps bleiben. Wenn Sie mehr als das tun, wird sich Ihr Augendiagramm allmählich schließen, insbesondere wenn Sie ein mehrstufiges Signalschema wie PAM4 verwenden.

Verwenden Sie das S-Parameter Pipeline Tool, um alle vier Operationen mit Ihren eigenen.s2p-Dateien auszuführen, ohne den Browser zu verlassen. Es verarbeitet FFTs, Matrix-Inversionen und das Plotten, sodass Sie sich auf die Interpretation der Ergebnisse konzentrieren können, anstatt sich mit MATLAB-Skripten herumschlagen zu müssen.