Désencombration des paramètres S : supprimez les effets de montage VNA

Le problème : votre VNA mesure également le luminaire

Vous venez de terminer de mesurer une trace de microruban de 10 cm sur le Rogers 4003C, vous l'avez fait passer du courant continu à 10 GHz, et maintenant vous observez une encoche étrange dans S21 autour de 7 GHz. Votre premier réflexe pourrait être de blâmer la fabuleuse maison. Mais attendez, où avez-vous effectué le calibrage exactement ? Au niveau du plan de référence du connecteur SMA ou juste au bord de la trace elle-même ?

Neuf fois sur dix, vous avez calibré les connecteurs. Ce qui signifie que ces deux lancements SMA, avec leurs transitions de via, leurs discontinuités en forme de barillet et tout écart d'impédance existant sur le pad, sont toujours dans votre mesure. Tout ce que vous voyez dans ce fichier .s2p inclut la réponse de l'appareil empilée au-dessus de la trace qui vous intéresse. Le désincrustation consiste à décoller cette couche de fixation et à passer au DUT.

L'outil S-Parameter Analysis Pipeline regroupe quatre opérations que vous pouvez exécuter sur n'importe quel fichier .s2p : View, Passivity Check, Time Gate et De-embed. Passons-les en revue dans l'ordre, car sauter en avant signifie généralement revenir en arrière plus tard.

Étape 1 : Afficher — Sachez ce que vous regardez

Commencez par charger votre fichier à 2 ports depuis le VNA. Réglez le pipeline en mode Affichage avec les paramètres suivants :

Cela vous donne un graphique simple de S11 (perte de retour) et S21 (perte d'insertion) sur toute la plage de fréquences capturée par votre VNA. Pour une trace de microruban décente, on peut s'attendre à ce que le S11 se situe en dessous de −15 dB sur la majeure partie de la bande, peut-être à proximité des résonances des connecteurs. Le S21 devrait fonctionner en douceur à mesure que la fréquence augmente, en suivant les courbes habituelles de perte de conducteur et de perte diélectrique.

Alors, qu'est-ce qui indique que les connecteurs dominent la mesure ? Quelques drapeaux rouges :

• Pic Sharp S11 inférieur à 2 GHz. Signe classique d'une rampe de lancement SMA trop large pour maintenir 50 Ω.
• Ondulation en S21 avec une période correspondant au double de la longueur électrique du corps du connecteur. C'est généralement un aller-retour de 50 à 100 ps.
• Toute encoche qui correspond parfaitement à la résonance en quart d'onde de la broche du connecteur. Faites le calcul de la longueur de l'épingle et vous la trouverez souvent juste à l'endroit où apparaît le creux.

Si votre S21 semble étrangement plat jusqu'à 6 GHz, puis tombe comme une pierre, il se peut que vous atteigniez la limite de bande passante du connecteur au lieu de constater un véritable comportement du DUT. Cela vaut la peine de le savoir avant de commencer à blâmer la trace.

Étape 2 : Contrôle de passivité — Détectez rapidement les erreurs d'étalonnage

Avant de perdre du temps dans le verrouillage et le désencastrement, effectuez un rapide contrôle de passivité. Tout port passif et sans perte à 2 ports doit satisfaire à cette exigence à chaque point de fréquence :

§ 0§

Si cette somme dépasse 1,0 n'importe où, même légèrement, comme 0,01, votre fichier n'est pas passif. Quelque chose s'est mal passé. Les suspects habituels :

• L'étalonnage du VNA a dérivé. Si la température de la carte a changé de plus de 5 °C depuis que vous avez utilisé le cal, recommencez.
• Incompatibilité d'impédance des ports. Vous avez peut-être enregistré le fichier sous 50 Ω, mais le VNA était en fait réglé sur 75 Ω pendant le balayage.
• Le connecteur a été déplacé entre les balayages. Si vous utilisez un VNA à 1 port et que vous échangez physiquement des câbles, tout mouvement entre les mesures du port 1 et du port 2 peut provoquer ce phénomène.

Le contrôle de passivité vous indiquera exactement où se produit la plus grave violation et à quel point elle est grave. Une violation de 0,5 dB à 9 GHz signifie que tout ce qui dépasse 8 GHz est suspect. Va réparer le calibrage. Le chronométrage ne permet pas de réparer une violation de passivité. Il ne fait que colmater l'erreur d'une manière qui sera plus difficile à détecter plus tard.

Étape 3 : Time Gate — Isolez le DUT

La synchronisation temporelle prend les données de vos paramètres S, les convertit dans le domaine temporel à l'aide d'une FFT inverse, applique une porte fenêtrée autour de la seule réponse du DUT, puis les reconvertit en fréquence avec une FFT directe. Vous obtenez un ensemble de paramètres S dans lequel les réponses du connecteur ont été pour la plupart supprimées.

Supposons que vous mesurez ce tracé de 10 cm avec des connecteurs SMA aux deux extrémités. Les paramètres de déclenchement typiques seraient les suivants :

• Centre de la porte : placez-la au milieu du retard électrique de la trace. Pour 10 cm sur FR4, cela fait environ 500 ps.
• Portée de grille : longueur électrique de la trace plus environ 100 ps de marge de chaque côté pour éviter de couper la réponse.
• Fonction fenêtre : Kaiser-Bessel est un choix judicieux. Cela réduit les lobes secondaires du domaine temporel au détriment d'une certaine résolution de fréquence, mais c'est généralement une bonne transaction.

Après avoir appliqué la porte, tracez à nouveau S11 et S21. Vous devriez constater quelques changements évidents :

• L'ondulation S11 diminue de manière significative. Ces réflexions provenant des connecteurs sont désormais bloquées.
• En fait, le S21 augmente légèrement à haute fréquence par rapport à la version non chauffée. En effet, les connecteurs ajoutaient une perte d'insertion qui est maintenant supprimée.
• Cette encoche à 7 GHz qui vous inquiétait ? Il est soit disparu, soit beaucoup moins profond. Il s'avère que c'était une résonance du connecteur, pas un problème de trace.

Un hic : le time gating nécessite une plage de fréquences adéquate pour obtenir la résolution dans le domaine temporel dont vous avez besoin. La résolution est d'environ$\Delta t = 1/\text{BW}$, donc un balayage de 10 GHz vous donne une résolution d'environ 100 ps. Si vous essayez de séparer un connecteur avec un retard de 50 ps d'une trace avec un retard de 500 ps en utilisant uniquement un balayage de 3 GHz (résolution 333 ps), vous n'avez pas de chance. Les réponses se chevauchent dans le temps et il n'est pas possible de les séparer clairement.

C'est pourquoi je balaie toujours plus loin que je ne le pense nécessaire. Le stockage est peu coûteux et le fait d'avoir de la bande passante supplémentaire dans le fichier vous donne des options plus tard.

Étape 4 : Désintégration — Appliquez le modèle de fixation

Le chronométrage est utile et rapide, mais il s'agit fondamentalement d'une approximation à large bande. Pour une précision maximale, vous avez besoin d'un fichier de désencastrement dédié à l'appareil : un .s2p mesuré séparément du seul connecteur SMA sur un substrat à passage court. Le pipeline inverse la matrice S de cet appareil et la met en cascade avec votre mesure DUT :

§ 1§

Pour créer le fichier de montage, mesurez un panneau traversant correspondant. Même substrat, même géométrie de lancement, mais avec une longueur de trace nulle entre les connecteurs. Enregistrez-le dans un fichier .s2p distinct. Chargez-le ensuite dans l'opération de désintégration :

Une fois que vous avez désintégré, la sortie S21 ne doit représenter que la perte d'insertion de trace. Pour cette trace Rogers 4003C de 10 cm, on peut s'attendre à quelque chose comme -0,5 dB à 5 GHz et -1,2 dB à 10 GHz. Si vous constatez des chiffres bien pires que cela, vous savez maintenant qu'il s'agit d'un véritable problème : défaut de la carte, contamination lors de l'assemblage ou peut-être une discontinuité de mise en page que vous n'avez pas remarquée lors de l'examen.

La plupart des ingénieurs omettent de créer des fichiers de montage appropriés car cela représente un travail supplémentaire. Ils passent ensuite trois fois plus de temps à essayer de déterminer si un artefact de mesure est réel ou non. La mesure du fichier de fixation prend environ vingt minutes et vous évitera des heures de confusion sur la route.

Lecture de la sortie finale

Une fois vos paramètres S désintégrés enfin en main, trois chiffres sont réellement importants pour la plupart des conceptions :

Perte d'insertion à la limite de la bande passante de votre signal. Si vous utilisez 10 Gbit/s NRZ, vérifiez le S21 à 5 GHz, c'est votre fréquence Nyquist. Maintenez-le au-dessus de -3 dB si vous voulez un diagramme propre. En dessous, vous commencerez à combattre l'ISI dans le domaine temporel. Perte de retour sur toute la bande. Une valeur inférieure à −15 dB (VSWR < 1, 4:1) est acceptable pour les traces classiques de PCB. En dessous de −20 dB, c'est bien. Si vous observez une valeur inférieure à −15 dB au milieu de votre bande de signal, vous avez une discontinuité d'impédance quelque part qui provoquera des réflexions. Platitude du retard de groupe. Un retard de groupe qui varie fortement en fonction de la fréquence provoquera des interférences entre les symboles. La sortie De-embed comprend un diagramme de retard de groupe : recherchez les variations restant inférieures à ± 20 ps sur votre bande de signal. Plus que cela, votre diagramme oculaire commencera à se fermer, surtout si vous utilisez un système de signalisation à plusieurs niveaux tel que PAM4.

Utilisez l' Outil S-Parameter Pipeline pour exécuter les quatre opérations sur vos propres fichiers .s2p sans quitter le navigateur. Il gère les FFT, les inversions matricielles et le traçage afin que vous puissiez vous concentrer sur l'interprétation des résultats au lieu de vous concentrer sur les scripts MATLAB.