Desincorporação do parâmetro S: remova os efeitos de fixação VNA

O problema: seu VNA também mede a luminária

Você acabou de medir um traço de microfita de 10 cm no Rogers 4003C, passou de DC para 10 GHz e agora está olhando para um entalhe estranho no S21 em torno de 7 GHz. Seu primeiro instinto pode ser culpar a fabulosa casa. Mas espere, onde exatamente você calibrou? No plano de referência do conector SMA ou diretamente na borda do próprio traço?

Nove em cada dez vezes, você calibrou nos conectores. O que significa que esses dois lançamentos SMA — completos com suas transições de via, descontinuidades de barril e qualquer incompatibilidade de impedância existente na plataforma — ainda estão em sua medição. Tudo o que você vê nesse arquivo.s2p inclui a resposta do fixture empilhada sobre o rastreamento real de seu interesse. A desincorporação é como você retira a camada de fixação e reduz apenas ao DUT.

A ferramenta S-Parameter Analysis Pipeline agrupa quatro operações que você pode executar em qualquer arquivo.s2p: View, Passivity Check, Time Gate e Deembed. Vamos examiná-los em sequência, porque pular para frente geralmente significa recuar mais tarde.

Etapa 1: Visualizar — Saiba o que você está vendo

Comece carregando seu arquivo de 2 portas do VNA. Defina o pipeline para o modo de visualização com estes parâmetros:

Isso fornece um gráfico direto de S11 (perda de retorno) e S21 (perda de inserção) em toda a faixa de frequência capturada pelo VNA. Para um traçado decente de microfita, você esperaria que o S11 estivesse abaixo de -15 dB na maior parte da banda, talvez se aproximando das ressonâncias do conector. O S21 deve funcionar suavemente à medida que a frequência aumenta — seguindo as curvas usuais de perda de condutor e perda dielétrica.

Então, o que indica que os conectores estão dominando a medição? Algumas bandeiras vermelhas:

• Pico nítido do S11 abaixo de 2 GHz. Sinal clássico de uma plataforma de lançamento do SMA que é muito larga para manter 50 Ω.
• Ondulação no S21 com um período correspondente ao dobro do comprimento elétrico do corpo do conector. Isso geralmente é uma viagem de ida e volta de 50 a 100 ps.
• Qualquer entalhe que se alinhe perfeitamente com uma ressonância de um quarto de onda do pino do conector. Faça as contas do comprimento do pino e, muitas vezes, você o encontrará exatamente onde a queda aparece.

Se o seu S21 parecer suspeitosamente plano de até 6 GHz e depois cair como uma pedra, você pode estar atingindo o limite de largura de banda do conector em vez de ver um comportamento real do DUT. Vale a pena saber isso antes de começar a culpar o rastro.

Etapa 2: Verificação de passividade — Detecte erros de calibração com antecedência

Antes de perder tempo bloqueando e desincorporando, execute uma rápida verificação de passividade. Qualquer porta passiva e sem perdas deve satisfazer isso em todos os pontos de frequência:

Se essa soma ultrapassar 1,0 em qualquer lugar — mesmo que em uma pequena quantidade, como 0,01 — seu arquivo não é passivo. Algo deu errado. Os suspeitos do costume:

• A calibração do VNA foi alterada. Se a temperatura da placa mudou mais de 5 °C desde que você executou a chamada, refaça-a.
• Incompatibilidade de impedância da porta. Talvez você tenha salvado o arquivo como 50 Ω, mas o VNA foi realmente configurado para 75 Ω durante a varredura.
• Conector movido entre varreduras. Se você estiver usando um VNA de 1 porta e trocando cabos fisicamente, qualquer movimento entre as medições da porta 1 e da porta 2 pode introduzir isso.

A Verificação de Passividade dirá exatamente onde a pior violação acontece e quão grave ela é. Uma violação de 0,5 dB a 9 GHz significa que tudo acima de 8 GHz é suspeito. Vá consertar a calibração. O limite de tempo não pode reparar uma violação de passividade — ele apenas obscurecerá o erro de maneiras que serão mais difíceis de detectar posteriormente.

Etapa 3: Time Gate — Isole o DUT

O controle de tempo pega os dados do parâmetro S, os converte no domínio do tempo usando um FFT inverso, aplica uma porta em janela ao redor apenas da resposta do DUT e, em seguida, os converte de volta em frequência com um FFT direto. O que você obtém é um conjunto de parâmetros S em que as respostas do conector foram praticamente suprimidas.

Digamos que você esteja medindo esse traço de 10 cm com conectores SMA nas duas extremidades. Os parâmetros de bloqueio típicos seriam:

• Centro do portão: coloque-o no ponto médio do atraso elétrico do traçado. Para 10 cm no FR4, são cerca de 500 ps.
• Extensão do portão: o comprimento elétrico do traçado mais aproximadamente 100 ps de margem em cada lado para evitar cortes na resposta.
• Função de janela: Kaiser-Bessel é uma escolha sólida. Ele reduz os lóbulos laterais no domínio do tempo às custas de alguma resolução de frequência, mas isso geralmente é uma boa negociação.

Depois de aplicar o portão, plote S11 e S21 novamente. Você deve ver algumas mudanças claras:

• A ondulação do S11 cai significativamente. Esses reflexos dos conectores agora estão bloqueados.
• Na verdade, o S21 aumenta um pouco em alta frequência em comparação com a versão não bloqueada. Isso porque os conectores estavam adicionando perda de inserção que agora foi removida.
• Aquele entalhe de 7 GHz com o qual você estava preocupado? Ou sumiu ou está muito mais raso. Acontece que era uma ressonância do conector, não um problema de rastreamento.

Um problema: o limite de tempo precisa de um intervalo de frequência adequado para obter a resolução no domínio do tempo de que você precisa. A resolução é aproximadamente$\Delta t = 1/\text{BW}$, então uma varredura de 10 GHz oferece uma resolução de cerca de 100 ps. Se você está tentando separar um conector com atraso de 50 ps de um rastreamento com 500 ps de atraso usando apenas uma varredura de 3 GHz (resolução de 333 ps), você está sem sorte. As respostas se sobrepõem no tempo e você não pode separá-las de forma clara.

É por isso que eu sempre varro mais do que acho que preciso. O armazenamento é barato e ter largura de banda extra no arquivo oferece opções posteriores.

Etapa 4: Desincorporar — Aplique o modelo de fixação

O limite de tempo é útil e rápido, mas é fundamentalmente uma aproximação de banda larga. Para obter a maior precisão, você deseja um arquivo de desincorporação de luminárias dedicado — um .s2p medido separadamente apenas do conector SMA em um substrato de passagem curta. A tubulação inverte a matriz S dessa luminária e a coloca em cascata com sua medição de DUT:

Para criar o arquivo de fixação, meça uma placa passante correspondente. Mesmo substrato, mesma geometria de lançamento, mas com comprimento de traço zero entre os conectores. Salve isso como um arquivo.s2p separado. Em seguida, carregue-o na operação de desincorporação:

Depois de desincorporar, a saída S21 deve representar apenas a perda de inserção do traço. Para esse traçado Rogers 4003C de 10 cm, você esperaria algo como −0,5 dB a 5 GHz e −1,2 dB a 10 GHz. Se você está vendo números significativamente piores do que isso, agora sabe que é um problema real: defeito na placa, contaminação durante a montagem ou talvez uma descontinuidade do layout que você não percebeu na análise.

A maioria dos engenheiros ignora a criação de arquivos de fixação adequados porque parece um trabalho extra. Depois, eles passam três vezes mais tempo tentando descobrir se um artefato de medição é real ou não. O arquivo de fixação leva talvez vinte minutos para ser medido e evitará horas de confusão no futuro.

Lendo a saída final

Com seus parâmetros S desincorporados finalmente em mãos, há três números que realmente importam para a maioria dos designs:

Perda de inserção na borda da largura de banda do sinal. Se você estiver executando NRZ de 10 Gbps, verifique S21 a 5 GHz — essa é a sua frequência Nyquist. Mantenha-o acima de −3 dB se quiser um diagrama de olhos limpo. Abaixo disso, você começará a lutar contra o ISI no domínio do tempo. Perda de retorno em toda a banda. Abaixo de −15 dB (VSWR < 1, 4:1) é aceitável para traços típicos de PCB. Abaixo de −20 dB é bom. Se você está vendo algo pior do que -15 dB no meio da sua banda de sinal, você tem uma descontinuidade de impedância em algum lugar que causará reflexos. Nivelamento do atraso do grupo. Um atraso de grupo que varia acentuadamente com a frequência causará interferência entre símbolos. A saída De-embed inclui um gráfico de atraso de grupo — procure variações abaixo de ± 20 ps em sua banda de sinal. Mais do que isso, seu diagrama ocular começará a fechar, especialmente se você estiver executando um esquema de sinalização de vários níveis, como o PAM4.

Use a S-Parameter Pipeline Tool para executar todas as quatro operações em seus próprios arquivos.s2p sem sair do navegador. Ele lida com os FFTs, as inversões de matrizes e a plotagem para que você possa se concentrar na interpretação dos resultados em vez de lutar com os scripts do MATLAB.