S-파라미터 디임베딩: VNA 픽스처 효과 제거

문제: VNA가 고정 장치도 측정합니다.

방금 Rogers 4003C에서 10cm 마이크로스트립 트레이스 측정을 마치고 DC에서 10GHz로 측정했는데 이제 S21에서 7GHz 부근의 이상한 노치를 보게 되었습니다.직감적으로 팹 하우스를 탓하는 것일 수도 있습니다.하지만 잠시만요. 정확히 어디서 캘리브레이션을 했나요?SMA 커넥터 레퍼런스 플레인에서요, 아니면 트레이스 자체 가장자리에서요?

열 번 중 아홉 번은 커넥터에서 교정했습니다.즉, 비아 트랜지션, 배럴 불연속성, 패드에 존재하는 임피던스 불일치 등을 포함한 두 번의 SMA 발사는 아직 측정 단계에 있다는 뜻입니다.이 .s2p 파일에서 볼 수 있는 모든 것은 관심 있는 실제 트레이스 위에 누적된 픽스처 응답을 포함합니다.디임베딩이란 픽스처 레이어를 벗겨내고 DUT만 남기는 방식입니다.

S-파라미터 분석 파이프라인 툴은 모든.s2p 파일에서 실행할 수 있는 네 가지 작업 (보기, 수동성 검사, 타임 게이트, 디임베드) 을 하나로 묶습니다.순서대로 살펴보도록 하겠습니다. 앞으로 건너뛰면 대개 나중에 되돌아가게 되기 때문입니다.

1단계: 보기 — 무엇을 보고 있는지 알기

먼저 VNA에서 2포트 파일을 로드하세요.다음 파라미터를 사용하여 파이프라인을 View 모드로 설정합니다.

이를 통해 VNA가 캡처한 전체 주파수 범위에 대한 S11 (반사 손실) 및 S21 (삽입 손실) 의 간단한 도표를 얻을 수 있습니다.적절한 마이크로스트립 트레이스를 위해서는 S11이 대부분의 대역에서 -15dB 미만으로 유지되고 커넥터 공진 부근에서 조금씩 올라갈 수 있습니다.S21은 주파수가 상승함에 따라 일반적인 도체 손실과 유전 손실 곡선을 따라 부드럽게 굴러갈 것입니다.

그렇다면 커넥터가 측정을 지배하고 있다는 것을 알 수 있는 것은 무엇일까요?몇 가지 위험 신호:

• 샤프 S11 피크는 2GHz 미만입니다.SMA 런치 패드가 너무 넓어서 50Ω을 유지할 수 없다는 전형적인 신호입니다.
• S21의 리플은 주기가 커넥터 본체의 전기 길이의 두 배와 일치합니다.일반적으로 왕복 속도는 50~100ps입니다.
• 커넥터 핀의 1/4파 공진과 완벽하게 일치하는 모든 노치핀 길이를 계산해 보면 딥이 나타나는 바로 그 지점에 핀이 놓이는 경우가 많습니다.

S21이 최대 6GHz까지 평평해 보이다가 바위처럼 떨어지면 실제 DUT 동작이 아닌 커넥터 자체의 대역폭 제한에 도달한 것일 수 있습니다.추적 탓으로 돌리기 전에 알아두는 것이 좋습니다.

2단계: 수동성 검사 — 교정 오류를 조기에 발견하세요

게이팅 및 디임베딩에 시간을 할애하기 전에 간단한 수동성 검사를 실행하세요.모든 패시브 무손실 2포트는 모든 주파수 포인트에서 이 조건을 만족해야 합니다.

이 합계가 0.01과 같이 아주 적은 양이라도 1.0을 넘으면 파일은 수동적이지 않습니다.뭔가 잘못됐어요.일반적인 용의자:

• VNA 캘리브레이션이 엉망이었어요칼을 실행한 이후 보드 온도가 5°C 이상 변했다면 다시 실행하십시오.
• 포트 임피던스 불일치.파일을 50Ω으로 저장했는데 스윕 중에 VNA가 실제로 75Ω으로 설정되었을 수 있습니다.
• 커넥터가 스윕 간에 이동했습니다.1포트 VNA를 사용하고 케이블을 물리적으로 교체하는 경우 포트-1과 포트-2 측정 간의 움직임으로 인해 이러한 현상이 발생할 수 있습니다.

패시비티 검사를 통해 최악의 위반이 발생한 위치와 심각도를 정확히 알 수 있습니다.9GHz에서 0.5dB 위반은 8GHz를 초과하는 모든 것이 의심스럽다는 의미입니다.캘리브레이션 수정하러 가세요.타임 게이팅은 수동성 위반을 복구할 수 없습니다. 나중에 발견하기 어려운 방식으로 오류를 번지게 할 뿐입니다.

3단계: 타임 게이트 — DUT 분리

타임 게이팅은 S-파라미터 데이터를 가져와서 역 FFT를 사용하여 시간 영역으로 변환하고 DUT 응답에만 윈도우 게이트를 적용한 다음 순방향 FFT를 사용하여 주파수로 다시 변환합니다.여기서 얻을 수 있는 것은 커넥터 응답이 대부분 억제된 S-파라미터 세트입니다.

양쪽 끝에 SMA 커넥터를 사용하여 10cm 트레이스를 측정한다고 가정해 보겠습니다.일반적인 게이팅 파라미터는 다음과 같습니다.

• 게이트 센터: 트레이스의 전기적 지연의 중간점으로 설정합니다.FR4에서 10cm의 경우 초당 약 500마일입니다.
• 게이트 스팬: 트레이스의 전기적 길이에 각 측면의 약 100ps의 여유를 더한 값이므로 응답이 끊어지지 않도록 합니다.
• 윈도우 기능: 카이저-베셀을 선택하는 것이 좋습니다.주파수 해상도는 약간 떨어지지만 시간 영역 사이드로브는 줄어들지만, 보통은 괜찮은 편입니다.

게이트를 적용한 후 S11과 S21을 다시 플로팅하세요.몇 가지 분명한 변화가 있을 것입니다.

• S11 리플이 크게 떨어집니다.이제 커넥터에서 반사되는 부분이 차단되었습니다.
• S21은 실제로 게이팅되지 않은 버전에 비해 고주파에서 약간 올라갑니다.커넥터에 삽입 손실이 더해졌기 때문인데 지금은 제거되었습니다.
• 걱정하던 7GHz 노치?사라졌거나 훨씬 더 얕아졌어요.커넥터의 공진 때문이었지 추적 문제가 아니었음이 밝혀졌어요.

한 가지 주의할 점은 타임 게이팅에 필요한 시간 영역 해상도를 얻으려면 적절한 주파수 범위가 필요하다는 것입니다.해상도는 대략$\Delta t = 1/\text{BW}$정도이므로 10GHz 스윕은 약 100ps의 해상도를 제공합니다.3GHz 스윕 (333ps 해상도) 만 사용하여 50ps 지연의 커넥터와 500ps 지연의 트레이스를 분리하려는 경우 운이 좋지 않은 것입니다.응답은 시간상 겹치기 때문에 명확하게 구분할 수 없습니다.

그래서 저는 항상 필요하다고 생각하는 것보다 더 넓게 쓸고 다니죠.스토리지는 저렴하고, 파일에 추가 대역폭이 있으면 나중에 사용할 수 있습니다.

4단계: 디임베드 — 픽스처 모델 적용

타임 게이팅은 유용하고 빠르지만 근본적으로 광대역 근사치입니다.최고의 정확도를 위해서는 전용 픽스처 디임베딩 파일이 필요합니다. 이 파일은 단관통 기판에 있는 SMA 커넥터만 별도로 측정한 .s2p의 파일입니다.파이프라인은 해당 픽스처의 S-매트릭스를 반전시켜 DUT 측정과 함께 캐스케이드합니다.

픽스처 파일을 생성하려면 일치하는 스루 보드를 측정하십시오.기판, 론치 형상은 동일하지만 커넥터 사이의 트레이스 길이는 0입니다.별도의.s2p 파일로 저장하세요.그런 다음 이를 디임베드 작업에 로드하세요.

디임베딩이 완료되면 출력 S21은 트레이스 삽입 손실만 표시해야 합니다.10cm 로저스 4003C 트레이스의 경우 5GHz에서 -0.5dB, 10GHz에서 -1.2dB 정도의 출력을 기대할 수 있습니다.이보다 훨씬 더 나쁜 수치가 나왔다면 이제 그것이 진짜 문제라는 것을 알 수 있습니다. 보드 결함, 조립 중 오염, 검토에서 미처 발견하지 못했던 레이아웃 불연속 같은 것이죠.

대부분의 엔지니어는 추가 작업처럼 느껴지기 때문에 적절한 픽스처 파일을 만들지 않습니다.그러면 나중에 측정 아티팩트가 진짜인지 아닌지를 알아내는 데 세 배나 더 많은 시간을 할애하게 됩니다.픽스처 파일을 측정하는 데 약 20분이 걸리므로 앞으로 혼란을 겪을 수 있는 시간을 줄일 수 있습니다.

최종 출력 읽기

이제 디임베딩된 S-파라미터가 완성되었으니, 대부분의 설계에서 실제로 중요한 세 가지 수치가 생겼습니다.

신호 대역폭 경계에서의 삽입 손실. 10Gbps NRZ를 사용하는 경우 5GHz에서 S21을 확인하십시오. 이것이 바로 나이퀴스트 주파수입니다.깔끔한 아이 다이어그램을 원한다면 -3dB 이상으로 유지하세요.그 아래부터는 시간 영역에서 ISI와 싸우기 시작할 수 있습니다. 대역 전반의 반사 손실. 일반적인 PCB 트레이스의 경우 -15dB 미만 (VSWR < 1. 4:1) 은 허용됩니다.-20dB 미만이면 좋습니다.신호 대역의 중간이 -15dB보다 심하면 어딘가에 임피던스 불연속성이 있어 반사가 발생할 수 있습니다. 그룹 지연 편평도 주파수에 따라 급격하게 변하는 그룹 지연은 심볼 간 간섭을 유발합니다.디임베드 출력에는 그룹 딜레이 플롯이 포함됩니다. 신호 대역 전체에서 ±20ps 미만으로 유지되는 변동이 있는지 확인하세요.그 이상이면 아이 다이어그램이 완성되기 시작할 것입니다. 특히 PAM4와 같은 다단계 시그널링 체계를 사용하는 경우에는 더욱 그렇습니다. S-파라미터 파이프라인 툴 을 사용하면 브라우저를 종료하지 않고도 사용자의.s2p 파일에서 네 가지 작업을 모두 실행할 수 있습니다.FFT, 행렬 역전 및 플로팅을 처리하므로 MATLAB 스크립트와 씨름할 필요 없이 결과를 해석하는 데 집중할 수 있습니다.