Desincrustación de parámetros S: eliminar los efectos de los dispositivos VNA

El problema: su VNA también mide el dispositivo

Acabas de medir un trazo microstrip de 10 cm en el Rogers 4003C, lo has barrido de corriente continua a 10 GHz, y ahora te encuentras ante una extraña muesca en el S21, alrededor de 7 GHz. Tu primer instinto podría ser echarle la culpa a la fabulosa casa. Pero espera, ¿dónde te calibraste exactamente? ¿En el plano de referencia del conector SMA o justo en el borde de la propia traza?

Nueve de cada diez veces se calibran los conectores. Lo que significa que esos dos lanzamientos de SMA (con sus transiciones de vía, discontinuidades entre cilindros y cualquier otro desajuste de impedancia que exista en la almohadilla) siguen en tus mediciones. Todo lo que ves en ese archivo.s2p incluye la respuesta de la luminaria apilada sobre la traza real que te interesa. Desincrustar es la forma en que se despega la capa del accesorio y se obtiene solo el DUT.

La herramienta S-Parameter Analysis Pipeline encadena cuatro operaciones que puedes ejecutar en cualquier archivo.s2p: View, Passivity Check, Time Gate y Deembed. Vamos a analizarlas en secuencia, porque saltarse adelante normalmente significa retroceder más adelante más adelante.

Paso 1: Ver: sepa lo que está viendo

Comience cargando su archivo de 2 puertos desde el VNA. Configura la canalización en modo Visualización con estos parámetros:

Esto le proporciona un gráfico sencillo de S11 (pérdida de retorno) y S21 (pérdida de inserción) en todo el rango de frecuencias que capturó su VNA. Para obtener un trazo de microbanda decente, es de esperar que el S11 se sitúe por debajo de los -15 dB en la mayor parte de la banda, tal vez aumentando progresivamente cerca de las resonancias de los conectores. El S21 debería moverse suavemente a medida que la frecuencia aumenta, siguiendo las curvas habituales de pérdida de conductor y pérdida dieléctrica.

Entonces, ¿qué significa que los conectores dominan la medición? Algunas señales de alerta:

• El pico del Sharp S11 es inferior a 2 GHz. Señal clásica de una plataforma de lanzamiento de SMA que es demasiado ancha para mantener 50 Ω.
• Ondulación en el S21 con un período igual al doble de la longitud eléctrica del cuerpo del conector. Suele ser un viaje de ida y vuelta de 50 a 100 ps.
• Cualquier muesca que se alinee perfectamente con la resonancia de un cuarto de onda del pin del conector. Haz los cálculos de la longitud de los pines y, a menudo, los encontrarás justo donde aparece esa caída.

Si tu S21 parece sospechosamente plano a una velocidad de hasta 6 GHz y luego cae como una roca, es posible que estés alcanzando el límite de ancho de banda propio del conector en lugar de observar un comportamiento real de DUT. Vale la pena saberlo antes de empezar a echarle la culpa al rastro.

Paso 2: Comprobación de la pasividad: detecte los errores de calibración de forma temprana

Antes de dedicar tiempo a la regulación y la desincrustación, ejecute una comprobación rápida de pasividad. Cualquier dispositivo pasivo de 2 puertos sin pérdidas debe cumplir con este requisito en cada punto de frecuencia:

Si esa suma supera el 1,0 en cualquier parte (aunque sea una cantidad mínima, como 0,01), el archivo no es pasivo. Algo salió mal. Los sospechosos habituales:

• La calibración del VNA se desvió. Si la temperatura de la placa ha cambiado más de 5 °C desde que ejecutaste la calibración, vuelve a realizarla.
• La impedancia del puerto no coincide. Puede que hayas guardado el archivo como 50 Ω, pero en realidad el VNA estaba configurado en 75 Ω durante el barrido.
• El conector se movió entre barridos. Si utiliza un VNA de 1 puerto e intercambia cables físicamente, cualquier movimiento entre las mediciones del puerto 1 y el puerto 2 puede provocar este cambio.

La comprobación de pasividad le indicará exactamente dónde ocurre la peor infracción y qué tan grave es. Una infracción de 0,5 dB a 9 GHz significa que todo lo que esté por encima de 8 GHz es sospechoso. Ve a arreglar la calibración. La limitación del tiempo no puede reparar una infracción de pasividad, solo difuminará el error de forma que sea más difícil de detectar más adelante.

Paso 3: Time Gate: ¡aísla el DUT

Time Gating toma los datos del parámetro S, los convierte en el dominio del tiempo mediante una FFT inversa, aplica una compuerta en forma de ventana solo alrededor de la respuesta del DUT y, a continuación, vuelve a convertirlos en frecuencia con una FFT directa. Lo que se obtiene es un conjunto de parámetros S en el que las respuestas de los conectores se han suprimido en su mayor parte.

Supongamos que está midiendo esa traza de 10 cm con conectores SMA en ambos extremos. Los parámetros de cierre típicos serían:

• Centro de la puerta: configúralo en el punto medio del retardo eléctrico de la traza. Para 10 cm en el FR4, eso es alrededor de 500 ps.
• Alcance de la compuerta: la longitud eléctrica de la traza más aproximadamente 100 puntos porcentuales de margen en cada lado para evitar interrumpir la respuesta.
• Función de ventana: Kaiser-Bessel es una buena elección. Reduce los lóbulos laterales en el dominio del tiempo a expensas de una cierta resolución de frecuencia, pero eso suele ser una buena opción.

Después de aplicar la compuerta, vuelva a trazar S11 y S21. Deberías ver algunos cambios claros:

• La ondulación del S11 cae significativamente. Los reflejos de los conectores ahora están bloqueados.
• De hecho, el S21 sube un poco a alta frecuencia en comparación con la versión sin compuerta. Esto se debe a que los conectores añadían una pérdida de inserción que ahora se ha eliminado.
• ¿Esa muesca de 7 GHz que te preocupaba? O ha desaparecido o es mucho menos profundo. Resulta que fue la resonancia de un conector, no un problema de rastreo.

Un inconveniente: la regulación temporal necesita un intervalo de frecuencia adecuado para obtener la resolución en el dominio del tiempo que necesita. La resolución es aproximadamente de$\Delta t = 1/\text{BW}$, por lo que un barrido de 10 GHz proporciona una resolución de aproximadamente 100 ps. Si estás intentando separar un conector con un retardo de 50 ps de un trazo con un retardo de 500 ps usando solo un barrido de 3 GHz (resolución de 333 ps), no tienes suerte. Las respuestas se superponen en el tiempo y no puedes separarlas claramente.

Por eso siempre barro más de lo que creo que necesito. El almacenamiento es económico y tener ancho de banda adicional en el archivo te brinda opciones más adelante.

Paso 4: Desincrustar: aplicar el modelo de accesorio

La regulación del tiempo es útil y rápida, pero se trata fundamentalmente de una aproximación a la banda ancha. Para obtener la máxima precisión, lo mejor es disponer de un archivo dedicado a la desincrustación de dispositivos: un archivo .s2p medido por separado en el que aparezca únicamente el conector SMA sobre un sustrato de paso corto. La canalización invierte la matriz en S de esa luminaria y la convierte en cascada con la medición del DUT:

Para crear el archivo de luminarias, mida una tabla transversal coincidente. El mismo sustrato, la misma geometría de lanzamiento, pero con una longitud de traza cero entre los conectores. Guárdelo como un archivo.s2p independiente. A continuación, cárguelo en la operación de desincrustación:

Una vez que hayas desincrustado, la salida S21 debe representar solo la pérdida de inserción de la traza. Para ese trazo del Rogers 4003C de 10 cm, cabría esperar algo así como -0,5 dB a 5 GHz y -1,2 dB a 10 GHz. Si ves números significativamente peores que esos, ahora sabes que se trata de un problema real: un defecto en la placa, una contaminación durante el montaje o, tal vez, una discontinuidad en el diseño que no detectaste al revisar.

La mayoría de los ingenieros se saltan la tarea de crear las limas adecuadas para las fijaciones porque parece que supone un trabajo extra. Luego, pasan tres veces más tiempo tratando de averiguar si un artefacto de medición es real o no. El archivo del dispositivo tarda unos veinte minutos en medirse y le ahorrará horas de confusión en el futuro.

Leyendo el resultado final

Con los parámetros S desintegrados por fin a la mano, hay tres números que realmente importan en la mayoría de los diseños:

Pérdida de inserción en el extremo del ancho de banda de la señal. Si utilizas un NRZ de 10 Gbps, comprueba el S21 a 5 GHz, esa es la frecuencia de Nyquist. Manténgala por encima de −3 dB si quieres un diagrama claro. Por debajo de eso, empezarás a luchar contra el ISI en el dominio del tiempo. Pérdida de retorno en toda la banda. Por debajo de -15 dB (VSWR < 1. 4:1) es aceptable para trazas típicas de PCB. Por debajo de -20 dB es bueno. Si ves algo peor que -15 dB en la mitad de la banda de señal, tienes una discontinuidad de impedancia en alguna parte que provocará reflexiones. Planitud del retardo de grupo. Un retardo de grupo que varíe considerablemente con la frecuencia provocará interferencias entre símbolos. La salida desincrustada incluye un gráfico de retardo de grupo: busca variaciones que se mantengan por debajo de los ±20 ps en toda la banda de señal. Más que eso, tu diagrama ocular empezará a cerrarse, especialmente si estás utilizando un esquema de señalización de varios niveles como el PAM4.

Usa la S-Parameter Pipeline Tool para ejecutar las cuatro operaciones en tus propios archivos.s2p sin salir del navegador. Gestiona los FFT, las inversiones matriciales y la representación gráfica para que pueda centrarse en interpretar los resultados en lugar de tener que trabajar con los scripts de MATLAB.