Effets des appareils VNA : diagnostiquez avant de les désintégrer

Le problème : votre VNA mesure également le luminaire

Vous avez mesuré une trace de microruban de 10 cm sur le Rogers 4003C de 10 MHz à 10 GHz, et il y a une encoche dans le S21 autour de 7 GHz. Avant de blâmer l'usine, demandez-vous où vous avez effectué l'étalonnage : au niveau des connecteurs SMA ou au bord de la trace ?

Presque toujours, ce sont les connecteurs. Les deux lancements, qu'il s'agisse de transitions, de discontinuités de barils ou d'inadéquation entre les pads, figurent toujours dans les données, empilés au-dessus de la trace qui vous intéresse. Les supprimer revient à les désintégrer. Décider si vous *en avez besoin et si le fichier est suffisamment fiable pour être essayé, vient en premier.

Le Pipeline d'analyse des paramètres S est conçu pour cette première partie. Téléchargez un à quatre fichiers Touchstone et il exécute une séquence fixe d'analyses, affichant le résultat de chacune d'entre elles : affichage, passivité, ondulation, TDR, temporisation, conversion en mode mixte pour les fichiers à 4 ports, conversion S → Z/Y/ABCD et, avec deux ports 2 ports ou plus, une cascade. Il ne se désintègre pas ; la dernière section couvre ce que cela nécessite.

Étape 1 : Afficher — Sachez ce que vous regardez

L'étape de visualisation trace l'amplitude, la phase, le retard de groupe et le VSWR pour chaque fichier téléchargé. Quelques signaux d'alarme indiquent que ce sont les connecteurs, et non la trace, qui dominent :

• Un pic S11 aigu inférieur à 2 GHz : une rampe de lancement trop large pour contenir 50 Ω.
• Ondulation en S21 ou S11 avec une période correspondant à l'aller-retour entre les deux connecteurs, généralement de 50 à 100 ps pour une carte courte. L'étape d'ondulation le quantifie : variation crête à crête dans la bande passante, plus perte d'insertion meilleure, pire et moyenne.
• Une encoche à une résonance en quart d'onde d'une broche de connecteur ou d'un embout d'interconnexion : déterminez la longueur du tronçon et vérifiez où se trouve le $c/(4l\sqrt{\varepsilon_r})$.

  Si le S21 est plat à 6 GHz puis tombe d'une falaise, il se peut que vous regardiez la limite de bande passante du connecteur plutôt que la trace.

  Étape 2 : Passivité — Détectez rapidement les mauvaises données

  Un réseau passif ne peut pas générer d'énergie. Le test exact est que la plus grande valeur singulière de la matrice S est d'au plus 1 à chaque fréquence. Le test de colonne, $|S_{11}|^2 + |S_{21}|^2 \le 1$, est nécessaire mais pas suffisant : il ignore la phase.

  Cette différence n'est pas théorique. Nos propres fichiers de démonstration ont réussi le test des colonnes à chaque étape et ont tout de même échoué au test des valeurs singulières, avec des valeurs allant jusqu'à 1,024, car leur S11 était presque en phase avec S21. Une ligne symétrique quasiment sans perte nécessite S11 à peu près en quadrature avec S21. Les fichiers ont été corrigés, mais les données éditées à la main ou post-traitées échouent facilement de cette façon.

  Le pipeline traite les violations de deux manières :

  • Jusqu'à 1,02, taille typique du bruit VNA et de la dérive d'étalonnage, il fixe les valeurs singulières à 1 aux points incriminés et transmet les données corrigées aux étapes ultérieures.
  • Au-delà de 1,02, cela suppose que les données sont intentionnellement actives, comme un amplificateur, les étiquettent comme actives et ne les modifient pas. Limiter le gain d'un amplificateur à une unité corromprait tout ce qui se trouve en aval : pour l'exemple du FET GaAs 4 GHz de Pozar (valeur singulière la plus élevée 2,79), une matrice bloquée donne Z11 = 43,2 − j22,4 Ω au lieu des 14,8 − j27,3 Ω corrects.

  Un DUT passif qui apparaît comme actif signifie que la mesure est interrompue. Recalibrez, vérifiez l'impédance de référence avec laquelle le fichier a été enregistré et assurez-vous que les câbles ne se sont pas déplacés entre les balayages du port 1 et du port 2. La temporisation et le désencastrement ne peuvent pas le réparer.

  Étape 3 : TDR — Où en est-il de la structure ?

  L'étage TDR transforme S11 en un profil d'impédance : la réponse impulsionnelle par FFT inverse, intégrée dans une réponse échelonnée ρ (t), puis $Z(t) = Z_0 (1+\rho)/(1-\rho)$. Les lancements de connecteurs apparaissent sous forme de pics d'impédance au début et à la fin ; une trace constamment hors cible apparaît sous la forme d'un plateau à la mauvaise impédance.

  Deux limites s'appliquent. La résolution temporelle est d'environ $1/\text{BW}$, soit environ 100 ps pour un balayage de 10 GHz. Un fichier 10 GHz ne peut donc pas séparer les discontinuités beaucoup plus étroitement que cela. L'axe des distances suppose un facteur de vitesse de 0,5 ($\varepsilon_{eff} \approx 4$) ; pour les autres substrats, faites confiance à l'axe des temps et redimensionnez-le vous-même.

  Étape 4 : Time Gating — Isolez le reflet principal

  L'étape de déclenchement transforme S11 dans le domaine temporel, applique une fenêtre de Hann autour de la réflexion dominante et la retransforme en traçant S11 fermée et non chauffée. Si les reflets du connecteur se situent à l'extérieur de la grille, la porte S11 indique la correspondance de la structure sans eux.

  Le pipeline choisit automatiquement la porte, alors vérifiez que le reflet dominant est celui qui vous intéresse. Le filtrage ne fonctionne que lorsque les réponses que vous souhaitez séparer sont plus éloignées dans le temps que la résolution ci-dessus. Il s'agit d'un diagnostic rapide qui ne remplace pas le désencombrage.

  Étape 5 : Conversion et mise en cascade

  L'étape de conversion transforme S en paramètres Z, Y et ABCD. Certains d'entre eux ne sont vraiment pas définis à certaines fréquences. Une ligne sans perte rend $I - S$ singulier chaque fois qu'elle mesure un nombre entier de demi-longueurs d'onde, donc Z n'y existe pas. Pour une ligne sans perte de 1 ns échantillonnée tous les 100 MHz de 0,1 à 4 GHz, 8 des 40 points ne sont pas définis. Le pipeline les signale comme des lacunes, avec un décompte, plutôt que comme un échec.

  L'étage en cascade chaîne au moins deux fichiers à 2 ports sur leur plage de fréquences commune (le fichier du connecteur, puis la trace, puis le connecteur) via des paramètres T. Il construit un canal à partir de pièces mesurées, ce qui est l'inverse de ce que fait le désencastrement.

  Étape 6 : Désencombration : ce dont il a besoin

  Le désencastrement supprime les moitiés de fixation connues d'une mesure. Chaque moitié étant décrite par ses propres paramètres S, convertis en paramètres T :

  $$[T_{DUT}] = [T_{fixture,1}]^{-1}\,[T_{measured}]\,[T_{fixture,2}]^{-1}$$

  Le plus difficile est de connaître les moitiés du luminaire. Les itinéraires habituels :

  • 2x-thry. Mesurez une planche avec les deux lancements dos à dos, sans DUT, puis divisez-la en deux. C'est ce que font les méthodes IEEE P370. La bibliothèque open source scikit-rf les implémente en Python.
  • Étalons d'étalonnage sur le plan de référence DUT (TRL sur la carte), de sorte que l'étalonnage du VNA supprime les appareils.
  • Un modèle EM du lancement, si vous lui faites confiance.

  Exécutez d'abord le pipeline sur la mesure brute et sur les fichiers de montage. Un fichier de montage dont la passivité échoue, ou un TDR qui montre les lancements chevauchant le DUT, vous indique que le désintégration ne sera pas complète avant que vous n'y consacriez du temps.

  Lecture de la sortie finale

  Quelle que soit la méthode utilisée pour retirer les luminaires, trois chiffres sont importants pour la plupart des modèles :

  • Perte d'insertion à la fréquence Nyquist de votre signal — 5 GHz pour 10 Gbit/s NRZ. L' outil Eye Diagram montre les effets d'une perte donnée sur l'œil.
  • Perte de retour sur toute la bande. Une valeur supérieure à −15 dB est acceptable pour les traces de circuits imprimés classiques et une valeur supérieure à -20 dB est une bonne chose. Pire, au milieu du groupe, signifie une discontinuité quelque part.
  • Platitude du retard de groupe sur toute la bande de signal. Une variation importante provoque des interférences entre les symboles.
  Mis à jour 2026-09-19. Une version antérieure de cet article décrivait les opérations que le pipeline ne comporte pas (sélection des opérations, paramètres de grille réglables et étape de désencastrement des fixations) et un test de passivité qui ignore la phase. Il décrit maintenant ce que fait le pipeline. Outil de pipeline de paramètres S