eng
Выпуск #8/2023
А. Крылов, Ф. Крекотень, А. Панков
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ S-ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ РАЗЪЕМОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕКТОРНЫХ АНАЛИЗАТОРОВ ЦЕПЕЙ
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ S-ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ РАЗЪЕМОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕКТОРНЫХ АНАЛИЗАТОРОВ ЦЕПЕЙ
Просмотры: 591
DOI: 10.22184/1992-4178.2023.229.8.42.54
Рассматриваются методики измерений s-параметров разъемов, используемых в составе объединительных плат (backplane) с использованием векторных анализаторов цепей (ВАЦ). Представлены результаты измерений.
Рассматриваются методики измерений s-параметров разъемов, используемых в составе объединительных плат (backplane) с использованием векторных анализаторов цепей (ВАЦ). Представлены результаты измерений.
Теги: calibration board measuring equipment microstrip calibration metrics измерительная оснастка калибровочная плата калибровочные микрополосковые меры
Методы измерения S-параметров высокоскоростных разъемов с использованием векторных анализаторов цепей
А. Крылов 1, Ф. Крекотень 2, А. Панков 2
Рассматриваются методики измерений радиочастотных параметров разъемов, используемых в составе объединительных плат (backplane) с использованием векторных анализаторов цепей (ВАЦ). Представлены результаты измерений высокоскоростных разъемов, полученные с использованием охарактеризованного SOLR комплекта калибровочных мер и программного обеспечения исключения измерительной оснастки (АFR).
Возрастание скорости передачи цифровых сигналов и необходимость использования высокочастотных аналоговых сигналов требует использования новых подходов к разработке тестеров микросхем. Высокоскоростные объединительные платы являются критическим компонентом физического уровня, поэтому проектирование, сборка и определение параметров объединительных плат становится сложной задачей, включающей определение радиочастотных параметров разъемов, используемых в качестве внутрисхемных соединителей. Неоднородность импеданса в плоскости контактных площадок разъемов приводят к уменьшению согласования и возрастанию затухания передаваемого сигнала, приводя к снижению пропускной способности каналов передачи данных объединительной платы.
В связи с этим актуальными задачами являются поиск и отработка оптимальных методик измерений амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик высокоскоростных разъемов.
Современные ВАЦ производства ООО «ПЛАНАР» в сочетании с функциональными возможностями, позволяющими проводить измерение параметров компонентов, не имеющих коаксиальных соединителей, являются эффективным средством для решения поставленных задач.
В рамках публикации рассматриваются два метода измерений параметров высокоскоростных разъемов:
с использованием набора калибровочных микрополосковых мер типа SOLR («короткое замыкание – холостой ход – согласованная нагрузка – неизвестная перемычка»), параметры которых определены с использованием техник преобразования (time domain transform) и фильтрации во временной области (time gating), а также функции удлинения порта (port extension), доступных в ВАЦ;
с использованием программного обеспечения для исключения измерительной оснастки AFR (Automatic Fixture Removal), предназначенного для определения параметров оснастки и смещения плоскости калибровки ВАЦ к контактам измеряемого компонента [1].
Калибровочная плата
Калибровочная плата, произведенная компанией ООО «Совтест Микро» и используемая для апробирования рассматриваемых методов измерений, представлена на рис. 1. На плате изготовлены меры КЗ, ХХ, СН и мера коэффициента передачи (КП).
Каждая из мер коэффициента отражения включает коаксиальный соединитель, отрезок микрополосковой линии, необходимый для смещения плоскости калибровки ВАЦ в плоскость включения измеряемого разъема, и переходное отверстие.
Мера СН (LOAD) выполнена с использованием SMD-резистора с номиналом 50 Ом, замкнутого на землю на выходе переходного отверстия с обратной стороны калибровочной платы.
Мера КЗ (SHORT) выполнена путем замыкания на землю центрального проводника на выходе переходного отверстия с обратной стороны калибровочной платы.
Мера ХХ (OPEN) выполнена в виде незамкнутого центрального проводника на выходе переходного отверстия с обратной стороны калибровочной платы.
Мера КП (THROUGH) выполнена в виде линии передачи и пары переходных отверстий.
Измеряемое устройство
В качестве измеряемого устройства использовалось сочленение пары соединителей высокой плотности (High-Density Open-Pin-Field Array) – вилки и розетки. Для подключения разъемов к коаксиальному тракту использовались измерительные оснастки производства
ООО «Совтест Микро». Материал печатной платы, проводников, длина микрополосковых линий и типы коаксиальных соединителей соответствуют калибровочной плате.
Измеряемые разъемы и измерительная оснастка представлены на рис. 2 и 3.
Элементы конструкции измерительной оснастки
Как калибровочная, так и измерительная оснастки представляют собой устройства на основе печатных плат. Печатные платы этих устройств выполнены в составе единой панели с последующим разделением с использованием одной и той же конструкции слоев – стека печатной платы, что позволяет минимизировать разброс допусков на параметры используемых материалов, толщин финишных покрытий, параметров травления геометрии проводников и прочих технологических величин. Печатные платы состоят из четырех проводящих слоев, стек показан на рис. 4.
Измерительные каналы выполнены в виде копланарных микрополосковых линий на внешнем слое «Top», материал проводников – медь. Проводники окружены сплошным проводником возвратной цепи, вдоль краев полигона с шагом 1,5 мм расставлены массивы переходных отверстий, которые соединяют внешние и внутренние слои земли и помогают экранировать измерительные каналы друг от друга.
В качестве диэлектрика между линией передачи и смежным опорным слоем использован материал Ro4350B – ему характерны достаточно низкий тангенс угла диэлектрических потерь (около 0,003) и малое отклонение значений диэлектрической проницаемости в диапазоне частот до 20 ГГц. Также он без проблем может применяться в одном стеке вместе с более доступными базовыми материалами для печатных плат, поэтому он хорошо подходит для использования в многослойных конструкциях измерительной оснастки. Остальные диэлектрические слои выполнены из стеклотекстолита FR4 IT‑180A.
Для того чтобы возможная неоднородность толщины паяльной маски не влияла на характеристики микрополосковых линий – маска вскрыта по всей длине проводников измерительных каналов.
В процессе проектирования оснастки отдельные элементы конструкции были оптимизированы при помощи итерационного моделирования методом конечных элементов (finite element method):
микрополосковые линии передачи;
структуры переходных отверстий;
места установки коаксиальных соединителей.
Для линий передачи была выбрана ширина проводника, обеспечивающая наиболее близкое к импедансу измерительного тракта волновое сопротивление 50 Ом в широком диапазоне частот (рис. 5).
По конструктивным соображениям измеряемые устройства и измерительные разъемы SMA разнесены на разные стороны печатной платы, что потребовало применения переходных отверстий. Переходные отверстия, как правило, представляют собой существенную неоднородность в измерительном тракте, но при оптимизации геометрических параметров перехода (таких, например, как диаметр переходного отверстия, размеры вырезов в опорных внутренних слоях, расстояние до ближайших возвратных переходных отверстий и т. п.) потери на отверстиях можно минимизировать. В ходе работы над оснасткой была построена параметрическая модель перехода (рис. 6) и затем перебором конструктивных параметров получена наиболее оптимальная структура для работы в частотном диапазоне до 8 ГГц (см. рис. 6).
Под контактной площадкой сигнального проводника разъемов SMA в смежном опорном слое выполнен вырез для снижения паразитной емкости и улучшения согласования измерительного тракта (рис. 7).
Полученные в ходе моделирования структуры проводников и переходов использованы в конструкциях печатных плат всех устройств, которые исследуются в рамках данной статьи.
Измерительный стенд
Измерение частотных характеристик разъемов выполнялось с использованием ВАЦ C4220 серии КОБАЛЬТ производства ООО «ПЛАНАР» с диапазоном частот от 100 кГц до 20 ГГц. Для калибровки ВАЦ в коаксиальном тракте использовался автоматический калибровочный модуль ACM2520. Фото измерительного стенда представлено на рис. 8.
Повторяемость соединителей
При изготовлении калибровочной платы использовались коаксиальные соединители 73251-135 фирмы Molex. Такие же соединители установлены на измерительной оснастке.
Одним из важных аспектов при работе с измерительной оснасткой является качество и повторяемость коаксиальных соединителей. Качество определяется уровнем возвратных потерь, а повторяемость – тем, насколько характеристики одного соединителя сопоставимы с другими аналогичными соединителями. Для выполнения такого анализа можно использовать режим фильтрации во временной области, выделив частотные характеристики коаксиальных соединителей и выполнив их сравнение, используя функциональные возможности ВАЦ.
Характеристики коаксиальных соединителей мер ХХ и КЗ во временной и частотной областях показаны на рис. 9 и 10.
Частотные характеристики |S11| показывают, что соединители имеют хорошее согласование на уровне –30 дБ в диапазоне до 6,6 ГГц (показания маркера 1 на рис. 9). В этом диапазоне частот возможно получить повторяемые результаты измерений как с использованием SOLR калибровки, так и с использованием ПО AFR.
Предельная граничная частота использования коаксиальных соединителей измерительной оснастки составляет 15,36 ГГц (показания маркера 2 по уровню –10 дБ на рис. 10). Проведение измерений на частотах свыше указанной с высокой вероятностью будут недостоверными.
Оценка повторяемости коаксиальных соединителей выполнялась относительно частотных характеристик, полученных на предыдущем шаге. На рис. 11 показаны частотные характеристики коаксиальных соединителей мер ХХ и КЗ и их разность, представляющая график повторяемости коэффициента отражения исследуемых соединителей.
Повторяемость на уровне –40 дБ достигается в диапазоне до 3,84 ГГц, на уровне –30 дБ – в диапазоне до 8 ГГц, на что указывают соответствующие маркеры. Измерения на ВАЦ в диапазоне свыше 8 ГГц может привести к недостоверным результатам, поскольку повторяемость соединителей не является систематической составляющей погрешности и не может быть минимизирована за счет проведения процедуры калибровки.
Описание мер SOLR калибровочного набора
Метод SOLR-калибровки ВАЦ требует использования мер коэффициента отражения с известными параметрами. Однопортовые меры могут быть определены в виде эквивалентной цепи или в виде таблицы S-параметров. В данной статье для описания мер был выбран подход с использованием
S-параметров, поскольку описание мер с использованием полиноминальных зависимостей в широком диапазоне частот является трудоемкой задачей.
Описание меры ХХ
На рис. 12 представлены результаты измерения частотных характеристик меры XX по результатам калибровки ВАЦ С4220 в коаксиальном тракте с использованием автоматического калибровочного модуля ACM2520.
Поскольку опорная плоскость измерений должна быть смещена в плоскость установки измеряемого разъема, необходимо оценить величину задержки распространения сигнала в микрополосковой линии. Для определения электрической задержки можно использовать функцию «удлинение порта», позволяющую сместить калибровочную плоскость на длину согласованной линии [2].
Результаты измерения |S11| меры XX, полученные при использовании функции преобразования во временную область, показаны на рис. 13.
Обратите внимание, что значение амплитуды фронта характеристики во временной области по уровню 0,5 близко к нулевому значению по оси времени, что свидетельствует о корректности расчета величины электрической задержки, равной 273,722 пс.
После смещения плоскости калибровки для получения частотных характеристик меры ХХ необходимо исключить влияние частотных характеристик коаксиального соединителя. На рис. 14 показан результат измерения |S11| меры ХХ с использованием преобразования во временную область до применения фильтрации (слева) и после (справа).
В завершении выполним компенсацию потерь в микрополосковой линии применительно к характеристикам меры ХХ, полученным по результатам фильтрации. Частотно зависимые потери могут быть компенсированы с использованием функции «удлинение порта» в автоматическом режиме либо путем задания величины потерь [2]. В нашем примере потери были заданы на трех частотных точках: 0 дБ на частоте 0 Гц, 0,37 дБ на частоте 2 ГГц и 1,2 дБ на частоте 9,4 ГГц. Частотная и временная характеристики |S11| нагрузки ХХ, полученные по результатам компенсации потерь, представлены на рис. 15.
Использование вышеописанного метода позволяет скомпенсировать потери в диапазоне до 7 ГГц, что, фактически, устанавливает ограничение на частотный диапазон использования характеризуемого калибровочного комплекта.
Описание меры КЗ
Проведем аналогичную процедуру характеризации меры КЗ с использованием функций преобразования во временную область, фильтрации и удлинения порта.
На рис. 16 представлены результаты измерений частотных характеристик меры КЗ, полученные с использованием ВАЦ, откалиброванного в коаксиальном тракте. Частотные и временные характеристики меры КЗ, полученные в ходе характеризации, представлены на рис. 17.
В данном случае задержка составила 273,722 пс, а величина потерь 0 дБ на частоте 0 Гц, 0,22 дБ на частоте 2 ГГц, 1,2 дБ на частоте 9,4 ГГц. Верхняя граница частотного диапазона характеризации меры составляет 6,5 ГГц.
На рис. 18 представлены фазочастотные характеристики характеризованных мер КЗ и ХХ, показывающие фазовый сдвиг, близкий к 180°, во всем диапазоне проводимых измерений.
Описание меры СН
В завершении проведем характеризацию меры СН. Результаты измерения меры СН до и после характеризации представлены на рис. 19 и 20. Из рисунка видно, что СН показывает достаточно хорошее согласование в диапазоне до 12 ГГц, уровень возвратных потерь не превышает –24 дБ.
Результаты характеризации мер КЗ, ХХ и СН были сохранены в файлы формата Touchstone и использованы при определении пользовательского калибровочного набора в программном обеспечении ВАЦ S2VNA (рис. 21).
Верхняя граница частотного диапазона калибровочных мер выбиралась равной 20 ГГц для возможности сравнительного анализа результатов измерений полученных после SOLR-калибровки c программным обеспечением для учета измерительной оснастки.
Обратите внимание, что мера коэффициента передачи описана в виде перемычки с неизвестными параметрами. Параметры меры «неизвестная перемычка» определяются в ходе самого процесса SOLR-калибровки [3].
Программное обеспечение для исключения измерительной оснастки (AFR)
Описанная выше методика характеризации SOLR калибровочного набора требует проведения большого количества измерений, знания методов выполнения анализа и фильтрации во временной области, а также использования функции удлинения портов.
Альтернативный метод переноса плоскости калибровки ВАЦ заключается в определении частотных параметров измерительных приспособлений в соответствии с моделью по результатам использования различных математических алгоритмов обработки измерений. Данный метод нашел широкое практическое применение при измерении устройств в некоаксиальных трактах за счет упрощения и снижения временных затрат на проведение измерений.
Программное обеспечение «Исключение влияния измерительной оснастки» (AFR), являющееся опцией ВАЦ ПЛАНАР, включает мастер проведения измерений со встроенными инструкциями, позволяющий за несколько шагов выполнить определение и сохранение частотных параметров оснастки и исключить ее влияние из результатов измерений.
Программное обеспечение AFR поддерживает три различных метода расчета параметров оснастки в зависимости от ее электрической длины:
селекция во временной области (Time gating);
метод совместной оценки (Filtering);
деление S-параметров оснастки пополам (Bisection).
Каждый из методов расчета обладает диапазоном применимости в зависимости от электрической длины оснастки и вариаций импеданса вдоль оснастки [1].
AFR позволяет определить параметры оснастки двумя способами [1]:
1xReflect. Полное отражение оснастки в плоскости подключения устройства. Отражение в режиме холостого хода и/или короткого замыкания;
2xThrough. Измерение двух соединенных оснасток на проход (оснастка состоит из двух половин).
В рассматриваемой задаче для определения параметров измерительной оснастки использовался метод селекции во временной области, выбранный исходя из особенностей используемой оснастки (рис. 22):
вдоль оснастки имеются вариации импеданса вызванные уменьшением ширины полосковой линии и переходными отверстиями;
электрическая длина подводящих линий оснастки больше чем 4 времени нарастания импульсной характеристики, определяемой как ≅0,89 / Fmax, где Fmax – максимальная частота анализатора при измерении. С учетом диэлектрической проницаемости Er = 2,65 при Fmax = 20 ГГц, электрическая длина подводящих линий оснастки должна быть более 33 мм. В нашем случае длина подводящих линий была выбрана, равной 40 мм, что соответствует предъявляемому требованию.
Последовательность выполнения измерений в ПО AFR включает следующие шаги:
выбор конфигурации оснастки и метода расчета ее параметров;
выбор схемы подключения оснастки;
установка параметров анализатора;
калибровка анализатора в плоскости подключения к оснастке;
измерение оснастки и вычисление ее параметров;
смещение плоскости калибровки к контактам исследуемого устройства и сохранение результатов расчета.
На рис. 23 представлены результаты характеризации оснастки, полученные по результатам измерения мер КЗ и ХХ.
Обратите внимание на совпадение величин электрической длины оснастки LA и LB, полученной в ПО AFR и полученной на предыдущем шаге при характеризации мер КЗ и ХХ для SOLR-калибровки.
Результаты характеризации измерительной оснастки сохранялись в файлы формата Touchstone и исключались из результатов измерений S-параметров с помощью математической функции «Исключение цепи», реализованной в ПО S2VNA [2].
Результаты измерений
Результаты измерения S-параметров пары сопряженных разъемов представлены на рис. 25. Измерения выполнялись для тракта B21 измерительной оснастки, представленной на рис. 3.
Результаты измерений имеют хорошую сходимость в диапазоне до 7 ГГц. Разброс величин коэффициентов отражения |S11| и |S22| в указанном диапазоне составляет не более 3 дБ на уровне –30 дБ (КСВН на уровне 1,17). Разброс величин коэффициентов передачи |S21| и |S12| составляет не более 0,2 дБ, что является приемлемым результатом с учетом качества исполнения калибровочного комплекта и измерительной оснастки. Отличие результатов измерений в диапазоне свыше 7 ГГц обусловлено ограничением характеризации SOLR калибровочного набора и ухудшением характеристик измерительной оснастки. Значение |S11| свыше 0 дБ в диапазоне свыше 18 ГГц свидетельствует о некорректной работе ПО AFR по причине недостаточного согласования и отсутствия повторяемости используемых коаксиальных соединителей.
В соответствии с технической документацией параметр вносимых потерь нормируется производителем по уровню –3 дБ на частоте 12,5 ГГц. Важно отметить, что частотные характеристики разъемов зависят от расположения контактов в разъемах. В дополнительном отчете об измерениях, предоставляемом производителем, показано, что вносимые потери по уровню –3 дБ могут лежать в диапазоне частот от 5,7 до 11,9 ГГц, а параметр обратных потерь по уровню не более –10 дБ в диапазоне от 1 до 6,7 ГГц в зависимости от выбранной пары контактов. Данная информация также предоставляется производителем в дополнительном отчете об измерениях.
На рис. 26 и 27 показаны частотные характеристики вносимых и обратных потерь исследуемой пары соединителей для шести измерительных трактов, выполненных на измерительной оснастке: B19, B21, D18, F18, F20, D20. Характеристики получены по результатам использования ПО AFR.
Из графиков видно, что вносимые потери по уровню –3 дБ лежат в диапазоне от 8,37 до 12,97 ГГц, а вносимые потери по уровню –10 дБ в диапазоне от 5,17 до 8,94 ГГц.
Результаты измерений хорошо согласуются с характеристиками, предоставляемыми производителем разъемов.
* * *
Полученные результаты измерений подтверждают применимость SOLR-калибровки и математического аппарата ПО AFR для определения радиочастотных характеристик высокоскоростных разъемов в широком диапазоне частот относительно их физических границ.
Определение параметров калибровочных мер типа SOLR является трудоемкой задачей, требующей большого числа измерений и знания современных техник векторного анализа цепей.
ПО AFR упрощает проведение измерений устройств, не имеющих коаксиальных соединителей, позволяя определить частотные параметры измерительных приспособлений без необходимости определения характеристик комплекта калибровочных мер.
Вне зависимости от используемого метода измерений важным аспектом при исследовании радиочастотных характеристик высокоскоростных разъемов является качество изготовления калибровочной и измерительной оснастки: малый уровень вносимых и обратных потерь, повторяемость коаксиальных соединителей.
Дальнейшие направления работ могут заключаться в исследовании частотных характеристик разъемов в балансных (дифференциальных) режимах с возможностью построения глазковых диаграмм для оценки пропускной способности радиочастотного канала в зависимости от параметров модулирующего сигнала.
Литература
Программное обеспечение для автоматического исключения оснастки. Руководство по эксплуатации. // https://planarchel.ru URL: https://planarchel.ru/upload/uf/810/s45a5qsvsvzh5o0yus049ou4o80n2bq2/AFR_rus_ver_23.1.pdf
Анализаторы цепей векторные. Руководство по эксплуатации. Программное обеспечение. // https://planarchel.ru URL: https://planarchel.ru/upload/medialibrary/9ce/hl13hjzb7hleoxc06te2he0h1c9wo4xy/Part2_S2VNA_ver_23.2.pdf
Калибровка векторных анализаторов цепей перемычкой с неизвестными параметрами. // https://planarchel.ru URL: https://planarchel.ru/upload/iblock/858/d9i51w8x50gae4rfb1pugn6udhjtkyu5/Калибровка%20ВАЦ%20перемычкой%20с%20неизвестными%20параметрами.pdf
А. Крылов 1, Ф. Крекотень 2, А. Панков 2
Рассматриваются методики измерений радиочастотных параметров разъемов, используемых в составе объединительных плат (backplane) с использованием векторных анализаторов цепей (ВАЦ). Представлены результаты измерений высокоскоростных разъемов, полученные с использованием охарактеризованного SOLR комплекта калибровочных мер и программного обеспечения исключения измерительной оснастки (АFR).
Возрастание скорости передачи цифровых сигналов и необходимость использования высокочастотных аналоговых сигналов требует использования новых подходов к разработке тестеров микросхем. Высокоскоростные объединительные платы являются критическим компонентом физического уровня, поэтому проектирование, сборка и определение параметров объединительных плат становится сложной задачей, включающей определение радиочастотных параметров разъемов, используемых в качестве внутрисхемных соединителей. Неоднородность импеданса в плоскости контактных площадок разъемов приводят к уменьшению согласования и возрастанию затухания передаваемого сигнала, приводя к снижению пропускной способности каналов передачи данных объединительной платы.
В связи с этим актуальными задачами являются поиск и отработка оптимальных методик измерений амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик высокоскоростных разъемов.
Современные ВАЦ производства ООО «ПЛАНАР» в сочетании с функциональными возможностями, позволяющими проводить измерение параметров компонентов, не имеющих коаксиальных соединителей, являются эффективным средством для решения поставленных задач.
В рамках публикации рассматриваются два метода измерений параметров высокоскоростных разъемов:
с использованием набора калибровочных микрополосковых мер типа SOLR («короткое замыкание – холостой ход – согласованная нагрузка – неизвестная перемычка»), параметры которых определены с использованием техник преобразования (time domain transform) и фильтрации во временной области (time gating), а также функции удлинения порта (port extension), доступных в ВАЦ;
с использованием программного обеспечения для исключения измерительной оснастки AFR (Automatic Fixture Removal), предназначенного для определения параметров оснастки и смещения плоскости калибровки ВАЦ к контактам измеряемого компонента [1].
Калибровочная плата
Калибровочная плата, произведенная компанией ООО «Совтест Микро» и используемая для апробирования рассматриваемых методов измерений, представлена на рис. 1. На плате изготовлены меры КЗ, ХХ, СН и мера коэффициента передачи (КП).
Каждая из мер коэффициента отражения включает коаксиальный соединитель, отрезок микрополосковой линии, необходимый для смещения плоскости калибровки ВАЦ в плоскость включения измеряемого разъема, и переходное отверстие.
Мера СН (LOAD) выполнена с использованием SMD-резистора с номиналом 50 Ом, замкнутого на землю на выходе переходного отверстия с обратной стороны калибровочной платы.
Мера КЗ (SHORT) выполнена путем замыкания на землю центрального проводника на выходе переходного отверстия с обратной стороны калибровочной платы.
Мера ХХ (OPEN) выполнена в виде незамкнутого центрального проводника на выходе переходного отверстия с обратной стороны калибровочной платы.
Мера КП (THROUGH) выполнена в виде линии передачи и пары переходных отверстий.
Измеряемое устройство
В качестве измеряемого устройства использовалось сочленение пары соединителей высокой плотности (High-Density Open-Pin-Field Array) – вилки и розетки. Для подключения разъемов к коаксиальному тракту использовались измерительные оснастки производства
ООО «Совтест Микро». Материал печатной платы, проводников, длина микрополосковых линий и типы коаксиальных соединителей соответствуют калибровочной плате.
Измеряемые разъемы и измерительная оснастка представлены на рис. 2 и 3.
Элементы конструкции измерительной оснастки
Как калибровочная, так и измерительная оснастки представляют собой устройства на основе печатных плат. Печатные платы этих устройств выполнены в составе единой панели с последующим разделением с использованием одной и той же конструкции слоев – стека печатной платы, что позволяет минимизировать разброс допусков на параметры используемых материалов, толщин финишных покрытий, параметров травления геометрии проводников и прочих технологических величин. Печатные платы состоят из четырех проводящих слоев, стек показан на рис. 4.
Измерительные каналы выполнены в виде копланарных микрополосковых линий на внешнем слое «Top», материал проводников – медь. Проводники окружены сплошным проводником возвратной цепи, вдоль краев полигона с шагом 1,5 мм расставлены массивы переходных отверстий, которые соединяют внешние и внутренние слои земли и помогают экранировать измерительные каналы друг от друга.
В качестве диэлектрика между линией передачи и смежным опорным слоем использован материал Ro4350B – ему характерны достаточно низкий тангенс угла диэлектрических потерь (около 0,003) и малое отклонение значений диэлектрической проницаемости в диапазоне частот до 20 ГГц. Также он без проблем может применяться в одном стеке вместе с более доступными базовыми материалами для печатных плат, поэтому он хорошо подходит для использования в многослойных конструкциях измерительной оснастки. Остальные диэлектрические слои выполнены из стеклотекстолита FR4 IT‑180A.
Для того чтобы возможная неоднородность толщины паяльной маски не влияла на характеристики микрополосковых линий – маска вскрыта по всей длине проводников измерительных каналов.
В процессе проектирования оснастки отдельные элементы конструкции были оптимизированы при помощи итерационного моделирования методом конечных элементов (finite element method):
микрополосковые линии передачи;
структуры переходных отверстий;
места установки коаксиальных соединителей.
Для линий передачи была выбрана ширина проводника, обеспечивающая наиболее близкое к импедансу измерительного тракта волновое сопротивление 50 Ом в широком диапазоне частот (рис. 5).
По конструктивным соображениям измеряемые устройства и измерительные разъемы SMA разнесены на разные стороны печатной платы, что потребовало применения переходных отверстий. Переходные отверстия, как правило, представляют собой существенную неоднородность в измерительном тракте, но при оптимизации геометрических параметров перехода (таких, например, как диаметр переходного отверстия, размеры вырезов в опорных внутренних слоях, расстояние до ближайших возвратных переходных отверстий и т. п.) потери на отверстиях можно минимизировать. В ходе работы над оснасткой была построена параметрическая модель перехода (рис. 6) и затем перебором конструктивных параметров получена наиболее оптимальная структура для работы в частотном диапазоне до 8 ГГц (см. рис. 6).
Под контактной площадкой сигнального проводника разъемов SMA в смежном опорном слое выполнен вырез для снижения паразитной емкости и улучшения согласования измерительного тракта (рис. 7).
Полученные в ходе моделирования структуры проводников и переходов использованы в конструкциях печатных плат всех устройств, которые исследуются в рамках данной статьи.
Измерительный стенд
Измерение частотных характеристик разъемов выполнялось с использованием ВАЦ C4220 серии КОБАЛЬТ производства ООО «ПЛАНАР» с диапазоном частот от 100 кГц до 20 ГГц. Для калибровки ВАЦ в коаксиальном тракте использовался автоматический калибровочный модуль ACM2520. Фото измерительного стенда представлено на рис. 8.
Повторяемость соединителей
При изготовлении калибровочной платы использовались коаксиальные соединители 73251-135 фирмы Molex. Такие же соединители установлены на измерительной оснастке.
Одним из важных аспектов при работе с измерительной оснасткой является качество и повторяемость коаксиальных соединителей. Качество определяется уровнем возвратных потерь, а повторяемость – тем, насколько характеристики одного соединителя сопоставимы с другими аналогичными соединителями. Для выполнения такого анализа можно использовать режим фильтрации во временной области, выделив частотные характеристики коаксиальных соединителей и выполнив их сравнение, используя функциональные возможности ВАЦ.
Характеристики коаксиальных соединителей мер ХХ и КЗ во временной и частотной областях показаны на рис. 9 и 10.
Частотные характеристики |S11| показывают, что соединители имеют хорошее согласование на уровне –30 дБ в диапазоне до 6,6 ГГц (показания маркера 1 на рис. 9). В этом диапазоне частот возможно получить повторяемые результаты измерений как с использованием SOLR калибровки, так и с использованием ПО AFR.
Предельная граничная частота использования коаксиальных соединителей измерительной оснастки составляет 15,36 ГГц (показания маркера 2 по уровню –10 дБ на рис. 10). Проведение измерений на частотах свыше указанной с высокой вероятностью будут недостоверными.
Оценка повторяемости коаксиальных соединителей выполнялась относительно частотных характеристик, полученных на предыдущем шаге. На рис. 11 показаны частотные характеристики коаксиальных соединителей мер ХХ и КЗ и их разность, представляющая график повторяемости коэффициента отражения исследуемых соединителей.
Повторяемость на уровне –40 дБ достигается в диапазоне до 3,84 ГГц, на уровне –30 дБ – в диапазоне до 8 ГГц, на что указывают соответствующие маркеры. Измерения на ВАЦ в диапазоне свыше 8 ГГц может привести к недостоверным результатам, поскольку повторяемость соединителей не является систематической составляющей погрешности и не может быть минимизирована за счет проведения процедуры калибровки.
Описание мер SOLR калибровочного набора
Метод SOLR-калибровки ВАЦ требует использования мер коэффициента отражения с известными параметрами. Однопортовые меры могут быть определены в виде эквивалентной цепи или в виде таблицы S-параметров. В данной статье для описания мер был выбран подход с использованием
S-параметров, поскольку описание мер с использованием полиноминальных зависимостей в широком диапазоне частот является трудоемкой задачей.
Описание меры ХХ
На рис. 12 представлены результаты измерения частотных характеристик меры XX по результатам калибровки ВАЦ С4220 в коаксиальном тракте с использованием автоматического калибровочного модуля ACM2520.
Поскольку опорная плоскость измерений должна быть смещена в плоскость установки измеряемого разъема, необходимо оценить величину задержки распространения сигнала в микрополосковой линии. Для определения электрической задержки можно использовать функцию «удлинение порта», позволяющую сместить калибровочную плоскость на длину согласованной линии [2].
Результаты измерения |S11| меры XX, полученные при использовании функции преобразования во временную область, показаны на рис. 13.
Обратите внимание, что значение амплитуды фронта характеристики во временной области по уровню 0,5 близко к нулевому значению по оси времени, что свидетельствует о корректности расчета величины электрической задержки, равной 273,722 пс.
После смещения плоскости калибровки для получения частотных характеристик меры ХХ необходимо исключить влияние частотных характеристик коаксиального соединителя. На рис. 14 показан результат измерения |S11| меры ХХ с использованием преобразования во временную область до применения фильтрации (слева) и после (справа).
В завершении выполним компенсацию потерь в микрополосковой линии применительно к характеристикам меры ХХ, полученным по результатам фильтрации. Частотно зависимые потери могут быть компенсированы с использованием функции «удлинение порта» в автоматическом режиме либо путем задания величины потерь [2]. В нашем примере потери были заданы на трех частотных точках: 0 дБ на частоте 0 Гц, 0,37 дБ на частоте 2 ГГц и 1,2 дБ на частоте 9,4 ГГц. Частотная и временная характеристики |S11| нагрузки ХХ, полученные по результатам компенсации потерь, представлены на рис. 15.
Использование вышеописанного метода позволяет скомпенсировать потери в диапазоне до 7 ГГц, что, фактически, устанавливает ограничение на частотный диапазон использования характеризуемого калибровочного комплекта.
Описание меры КЗ
Проведем аналогичную процедуру характеризации меры КЗ с использованием функций преобразования во временную область, фильтрации и удлинения порта.
На рис. 16 представлены результаты измерений частотных характеристик меры КЗ, полученные с использованием ВАЦ, откалиброванного в коаксиальном тракте. Частотные и временные характеристики меры КЗ, полученные в ходе характеризации, представлены на рис. 17.
В данном случае задержка составила 273,722 пс, а величина потерь 0 дБ на частоте 0 Гц, 0,22 дБ на частоте 2 ГГц, 1,2 дБ на частоте 9,4 ГГц. Верхняя граница частотного диапазона характеризации меры составляет 6,5 ГГц.
На рис. 18 представлены фазочастотные характеристики характеризованных мер КЗ и ХХ, показывающие фазовый сдвиг, близкий к 180°, во всем диапазоне проводимых измерений.
Описание меры СН
В завершении проведем характеризацию меры СН. Результаты измерения меры СН до и после характеризации представлены на рис. 19 и 20. Из рисунка видно, что СН показывает достаточно хорошее согласование в диапазоне до 12 ГГц, уровень возвратных потерь не превышает –24 дБ.
Результаты характеризации мер КЗ, ХХ и СН были сохранены в файлы формата Touchstone и использованы при определении пользовательского калибровочного набора в программном обеспечении ВАЦ S2VNA (рис. 21).
Верхняя граница частотного диапазона калибровочных мер выбиралась равной 20 ГГц для возможности сравнительного анализа результатов измерений полученных после SOLR-калибровки c программным обеспечением для учета измерительной оснастки.
Обратите внимание, что мера коэффициента передачи описана в виде перемычки с неизвестными параметрами. Параметры меры «неизвестная перемычка» определяются в ходе самого процесса SOLR-калибровки [3].
Программное обеспечение для исключения измерительной оснастки (AFR)
Описанная выше методика характеризации SOLR калибровочного набора требует проведения большого количества измерений, знания методов выполнения анализа и фильтрации во временной области, а также использования функции удлинения портов.
Альтернативный метод переноса плоскости калибровки ВАЦ заключается в определении частотных параметров измерительных приспособлений в соответствии с моделью по результатам использования различных математических алгоритмов обработки измерений. Данный метод нашел широкое практическое применение при измерении устройств в некоаксиальных трактах за счет упрощения и снижения временных затрат на проведение измерений.
Программное обеспечение «Исключение влияния измерительной оснастки» (AFR), являющееся опцией ВАЦ ПЛАНАР, включает мастер проведения измерений со встроенными инструкциями, позволяющий за несколько шагов выполнить определение и сохранение частотных параметров оснастки и исключить ее влияние из результатов измерений.
Программное обеспечение AFR поддерживает три различных метода расчета параметров оснастки в зависимости от ее электрической длины:
селекция во временной области (Time gating);
метод совместной оценки (Filtering);
деление S-параметров оснастки пополам (Bisection).
Каждый из методов расчета обладает диапазоном применимости в зависимости от электрической длины оснастки и вариаций импеданса вдоль оснастки [1].
AFR позволяет определить параметры оснастки двумя способами [1]:
1xReflect. Полное отражение оснастки в плоскости подключения устройства. Отражение в режиме холостого хода и/или короткого замыкания;
2xThrough. Измерение двух соединенных оснасток на проход (оснастка состоит из двух половин).
В рассматриваемой задаче для определения параметров измерительной оснастки использовался метод селекции во временной области, выбранный исходя из особенностей используемой оснастки (рис. 22):
вдоль оснастки имеются вариации импеданса вызванные уменьшением ширины полосковой линии и переходными отверстиями;
электрическая длина подводящих линий оснастки больше чем 4 времени нарастания импульсной характеристики, определяемой как ≅0,89 / Fmax, где Fmax – максимальная частота анализатора при измерении. С учетом диэлектрической проницаемости Er = 2,65 при Fmax = 20 ГГц, электрическая длина подводящих линий оснастки должна быть более 33 мм. В нашем случае длина подводящих линий была выбрана, равной 40 мм, что соответствует предъявляемому требованию.
Последовательность выполнения измерений в ПО AFR включает следующие шаги:
выбор конфигурации оснастки и метода расчета ее параметров;
выбор схемы подключения оснастки;
установка параметров анализатора;
калибровка анализатора в плоскости подключения к оснастке;
измерение оснастки и вычисление ее параметров;
смещение плоскости калибровки к контактам исследуемого устройства и сохранение результатов расчета.
На рис. 23 представлены результаты характеризации оснастки, полученные по результатам измерения мер КЗ и ХХ.
Обратите внимание на совпадение величин электрической длины оснастки LA и LB, полученной в ПО AFR и полученной на предыдущем шаге при характеризации мер КЗ и ХХ для SOLR-калибровки.
Результаты характеризации измерительной оснастки сохранялись в файлы формата Touchstone и исключались из результатов измерений S-параметров с помощью математической функции «Исключение цепи», реализованной в ПО S2VNA [2].
Результаты измерений
Результаты измерения S-параметров пары сопряженных разъемов представлены на рис. 25. Измерения выполнялись для тракта B21 измерительной оснастки, представленной на рис. 3.
Результаты измерений имеют хорошую сходимость в диапазоне до 7 ГГц. Разброс величин коэффициентов отражения |S11| и |S22| в указанном диапазоне составляет не более 3 дБ на уровне –30 дБ (КСВН на уровне 1,17). Разброс величин коэффициентов передачи |S21| и |S12| составляет не более 0,2 дБ, что является приемлемым результатом с учетом качества исполнения калибровочного комплекта и измерительной оснастки. Отличие результатов измерений в диапазоне свыше 7 ГГц обусловлено ограничением характеризации SOLR калибровочного набора и ухудшением характеристик измерительной оснастки. Значение |S11| свыше 0 дБ в диапазоне свыше 18 ГГц свидетельствует о некорректной работе ПО AFR по причине недостаточного согласования и отсутствия повторяемости используемых коаксиальных соединителей.
В соответствии с технической документацией параметр вносимых потерь нормируется производителем по уровню –3 дБ на частоте 12,5 ГГц. Важно отметить, что частотные характеристики разъемов зависят от расположения контактов в разъемах. В дополнительном отчете об измерениях, предоставляемом производителем, показано, что вносимые потери по уровню –3 дБ могут лежать в диапазоне частот от 5,7 до 11,9 ГГц, а параметр обратных потерь по уровню не более –10 дБ в диапазоне от 1 до 6,7 ГГц в зависимости от выбранной пары контактов. Данная информация также предоставляется производителем в дополнительном отчете об измерениях.
На рис. 26 и 27 показаны частотные характеристики вносимых и обратных потерь исследуемой пары соединителей для шести измерительных трактов, выполненных на измерительной оснастке: B19, B21, D18, F18, F20, D20. Характеристики получены по результатам использования ПО AFR.
Из графиков видно, что вносимые потери по уровню –3 дБ лежат в диапазоне от 8,37 до 12,97 ГГц, а вносимые потери по уровню –10 дБ в диапазоне от 5,17 до 8,94 ГГц.
Результаты измерений хорошо согласуются с характеристиками, предоставляемыми производителем разъемов.
* * *
Полученные результаты измерений подтверждают применимость SOLR-калибровки и математического аппарата ПО AFR для определения радиочастотных характеристик высокоскоростных разъемов в широком диапазоне частот относительно их физических границ.
Определение параметров калибровочных мер типа SOLR является трудоемкой задачей, требующей большого числа измерений и знания современных техник векторного анализа цепей.
ПО AFR упрощает проведение измерений устройств, не имеющих коаксиальных соединителей, позволяя определить частотные параметры измерительных приспособлений без необходимости определения характеристик комплекта калибровочных мер.
Вне зависимости от используемого метода измерений важным аспектом при исследовании радиочастотных характеристик высокоскоростных разъемов является качество изготовления калибровочной и измерительной оснастки: малый уровень вносимых и обратных потерь, повторяемость коаксиальных соединителей.
Дальнейшие направления работ могут заключаться в исследовании частотных характеристик разъемов в балансных (дифференциальных) режимах с возможностью построения глазковых диаграмм для оценки пропускной способности радиочастотного канала в зависимости от параметров модулирующего сигнала.
Литература
Программное обеспечение для автоматического исключения оснастки. Руководство по эксплуатации. // https://planarchel.ru URL: https://planarchel.ru/upload/uf/810/s45a5qsvsvzh5o0yus049ou4o80n2bq2/AFR_rus_ver_23.1.pdf
Анализаторы цепей векторные. Руководство по эксплуатации. Программное обеспечение. // https://planarchel.ru URL: https://planarchel.ru/upload/medialibrary/9ce/hl13hjzb7hleoxc06te2he0h1c9wo4xy/Part2_S2VNA_ver_23.2.pdf
Калибровка векторных анализаторов цепей перемычкой с неизвестными параметрами. // https://planarchel.ru URL: https://planarchel.ru/upload/iblock/858/d9i51w8x50gae4rfb1pugn6udhjtkyu5/Калибровка%20ВАЦ%20перемычкой%20с%20неизвестными%20параметрами.pdf
Отзывы читателей
