電子發(fā)燒友App
1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
本案例主要展示如何使用ADS處理網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的傳輸線的S參數(shù)，從測(cè)量的數(shù)據(jù)中提取板材介質(zhì)參數(shù)，提高設(shè)計(jì)精度。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括編寫AEL函數(shù)、后處理驗(yàn)證、以及去嵌入等內(nèi)容。
通過(guò)本案例學(xué)習(xí)，工程師將涉及的操作方法
使用AEL語(yǔ)言編寫Equation，進(jìn)行后處理
去嵌入模塊的使用方法
S參數(shù)文件的使用和仿真
1.2 背景知識(shí)
1.2.1 去嵌（De-embedding）技術(shù)
在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，測(cè)試的結(jié)果包含了測(cè)試夾具所帶來(lái)的誤差。我們可以把被測(cè)件和夾具描述成一組S參數(shù)，如圖 1?1所示。
SD：代表被測(cè)件的S參數(shù)
SA / SB ： 代表被測(cè)件左右兩側(cè)夾具的S參數(shù)
圖 1-1 通過(guò)夾具測(cè)量被測(cè)件
去嵌入技術(shù)就是在已知夾具的S參數(shù)（SA/ SB）的基礎(chǔ)上，把被測(cè)件的S參數(shù)從總的測(cè)量的被測(cè)件和夾具一起的S參數(shù)中分離出來(lái)的運(yùn)算過(guò)程。
去嵌入技術(shù)運(yùn)用了電路網(wǎng)絡(luò)的矩陣計(jì)算。為了運(yùn)算上的方便往往先將S參數(shù)轉(zhuǎn)換到T參數(shù)來(lái)進(jìn)行級(jí)聯(lián)運(yùn)算。
所以對(duì)于夾具上的器件最終測(cè)量的結(jié)果為
因此只要事先獲得測(cè)試夾具的T矩陣就可以在測(cè)試中將其的影響消除掉，具體公式如下：
一般的去嵌入步驟為
a 獲得測(cè)試夾具的數(shù)學(xué)模型，可以使用S參數(shù)或者T參數(shù)來(lái)分別表示測(cè)試夾具的每半個(gè)部分
b 對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀做全雙端口校準(zhǔn)以及測(cè)量，測(cè)量結(jié)果包括夾具以及被測(cè)件的數(shù)據(jù)
c 將S參數(shù)轉(zhuǎn)換到T參數(shù)
d 使用去嵌入的公式對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行去嵌入
e 將結(jié)果轉(zhuǎn)換為S參數(shù)SD。
1.2.2 AFR 自動(dòng)夾具移除校準(zhǔn)技術(shù)
自動(dòng)夾具移除（AFR）校準(zhǔn)技術(shù)是一種提取準(zhǔn)確的寬帶夾具模型的簡(jiǎn)便方法。這種校準(zhǔn)技術(shù)可以被用于各種夾具和互連的結(jié)構(gòu)，例如轉(zhuǎn)接頭、芯片封裝、線纜、PCB印刷傳輸線以及通孔這樣的互連結(jié)構(gòu)。這種校準(zhǔn)技術(shù)和傳統(tǒng)的TRL校準(zhǔn)技術(shù)擁有同樣的高精度校準(zhǔn)性能，卻有著更為簡(jiǎn)單的夾具制作實(shí)現(xiàn)。AFR在高速信號(hào)完整性領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
圖 1-2 測(cè)試板
圖 1?2展示了一塊通孔作為被測(cè)件的測(cè)試板。通孔結(jié)構(gòu)作為被研究的對(duì)象在兩段均勻傳輸線的中間，傳輸線的兩端是SMA的轉(zhuǎn)接器，用來(lái)連接網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量通孔的S參數(shù)。在這個(gè)例子中，我們關(guān)心的被測(cè)件是通孔。為了進(jìn)行測(cè)量，通孔處于夾具的中間（夾具包括SMA連接器以及連接通孔的傳輸線）。從圖 1?2上藍(lán)色的TDR響應(yīng)曲線可以看出，SMA轉(zhuǎn)接器帶來(lái)了不可忽視的不連續(xù)性，傳輸線也不是完全均勻。在傳輸過(guò)程中可以觀測(cè)到阻抗的波動(dòng)，同時(shí)也帶來(lái)了傳輸損耗。
所有的測(cè)試測(cè)量所面臨的一個(gè)共同的基礎(chǔ)問(wèn)題正如以上的例子，如何把被測(cè)件的測(cè)量結(jié)果從整個(gè)測(cè)量結(jié)果（被測(cè)件加上夾具）中分離出來(lái)。這也是AFR自動(dòng)夾具移除校準(zhǔn)技術(shù)所要解決的問(wèn)題。
目前業(yè)內(nèi)已經(jīng)有很多測(cè)試測(cè)量的校準(zhǔn)技術(shù)，包括
SOLT（短路、開(kāi)路、負(fù)載、直通）
TRL（直通、反射、傳輸線）
LRM（傳輸線、反射、匹配）
以上的三種校準(zhǔn)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度和提取被測(cè)件測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性上做了折中。不幸的是，對(duì)于被廣泛在測(cè)試測(cè)量中用于移除夾具影響的TRL和LRM校準(zhǔn)技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，對(duì)于夾具正確制作有很高的要求，較容易引入人工誤差。對(duì)于校準(zhǔn)精度的要求越高，夾具的實(shí)現(xiàn)就越困難。
而自動(dòng)夾具移除（AFR）校準(zhǔn)技術(shù)在校準(zhǔn)精度和實(shí)現(xiàn)的容易程度這對(duì)原本的矛盾的關(guān)系上取得了突破，在具有極高校準(zhǔn)精度的同時(shí)夾具的設(shè)計(jì)也非常簡(jiǎn)單。
AFR技術(shù)是在被測(cè)件兩邊的夾具是鏡像對(duì)稱的情況下實(shí)現(xiàn)的。在這樣的情況下，需要做一個(gè)夾具的校準(zhǔn)件用來(lái)提取夾具的S參數(shù)。校準(zhǔn)件的形式是把兩側(cè)的夾具直接連接在一起形成一個(gè)兩倍于單側(cè)夾具長(zhǎng)度的直通結(jié)構(gòu)。這種校準(zhǔn)件通常被叫做2X直通參考夾具，如圖 1?3所示。
圖1-3 2X直通參考夾具
雖然單側(cè)的夾具并不是對(duì)稱的，但當(dāng)兩個(gè)對(duì)稱的夾具級(jí)聯(lián)后，新的2X直通參考夾具校準(zhǔn)件是鏡像對(duì)稱的，所以通過(guò)測(cè)試得到的校準(zhǔn)件的S參數(shù)中，S11=S22，S21=S12，可以得到兩個(gè)已知量，并不足夠求解出單側(cè)夾具S參數(shù)（S21A=S12A）的三個(gè)未知量，如圖 1?4所示。
圖 1-4 S參數(shù)級(jí)聯(lián)
而AFR技術(shù)基于2X直通參考夾具校準(zhǔn)件的中間包含一段均勻的傳輸線這一特性，通過(guò)采用時(shí)域信號(hào)處理的方法可以提取出夾具的S11A和S22B。借助多出來(lái)的一個(gè)已知量，單側(cè)夾具的S參數(shù)就可以被唯一求解出。利用去嵌入技術(shù)，夾具的影響就可以從測(cè)試結(jié)果中去除，得到被測(cè)件的S參數(shù)。
1.2.3 Svensson/Djordjevic 介質(zhì)模型
介質(zhì)的介電常數(shù)，又稱電容率，是電位移D與電場(chǎng)強(qiáng)度E之比。而有耗介質(zhì)的的損耗通常用復(fù)介電常數(shù)虛部的損耗角正切（TanD）來(lái)表示。
為了保證介質(zhì)的因果性，ADS中使用了Svesson/Djordjevic模型作為有耗的介質(zhì)的寬帶模型
其中fl和fh是模型的參數(shù)
當(dāng)頻率接近無(wú)窮大時(shí)介電常數(shù)的值，a是一個(gè)常數(shù)。和a這兩個(gè)參數(shù)可以從ADS中用戶輸入的其它參數(shù)（Er / TanD / FreqForEpsrTanD / LowFreqForTanD / HighFreqForTanD）中計(jì)算出來(lái)。
圖 1?5和圖 1?6顯示的是采用Svesson/Djordjevic模型的介電常數(shù)隨頻率變化的趨勢(shì)，介質(zhì)的具體參數(shù)如下：
Er = 4.6
TanD = 0.03
FreqForEpsrTanD = 1 GHz
HighFreqForTanD = 1 THz
LowFreqForTanD = 1 kHz
圖 1-6 介電常數(shù)的虛部以及損耗角正切隨頻率的變化
1.3 實(shí)驗(yàn)步驟
1.3.1 測(cè)量文件的導(dǎo)入和驗(yàn)證
1 模型的準(zhǔn)備
用來(lái)提取PCB介電常數(shù)的電路是一根長(zhǎng)度L為1inch的帶狀線，為了測(cè)試帶狀線的S參數(shù)，帶狀線兩側(cè)分別是由SMA轉(zhuǎn)接器、焊盤和傳輸線組成的夾具 A和夾具B，夾具A和夾具B在設(shè)計(jì)成鏡像對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，如圖 1?7所示。
使用Keysight的網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試圖 1?7的電路的S參數(shù)，端口阻抗是50Ohm，測(cè)量頻率的范圍是10MHz~40 GHz。把測(cè)量的結(jié)果保存為touchstone格式的文件 MD_2p4in_T.s2p。
圖 1-7 待測(cè)電路
為了得到長(zhǎng)度L為1inch的帶狀線的S參數(shù)，需要移除夾具對(duì)S參數(shù)的影響。這里選擇采用前面介紹的AFR技術(shù)，需要測(cè)量夾具A和夾具B相連接的2X直通參考夾具的S參數(shù)。
設(shè)計(jì)的2X直通參考夾具如圖 1?8所示，夾具A和夾具B是鏡像對(duì)稱的。但是由于電路的制作存在工藝上的不穩(wěn)定和誤差，夾具A和夾具B的S參數(shù)，以及圖 1?7和圖 1?8中每個(gè)夾具的S參數(shù)，存在著一定幅度的不一致。
使用Keysight的網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試圖 1?8的電路的S參數(shù)，端口阻抗是50Ohm，測(cè)量頻率的范圍是10 MHz~40 GHz。把測(cè)量的結(jié)果保存為touchstone格式的文件 MD_1p4in_T.s2p。
圖 1-8 2X 直通參考夾具
打開(kāi)KeysightADS軟件，新建工程文件PCB_Parm_Extraction_wrk，假設(shè)工程文件所在目錄為 \PCB_Parm_Extraction_wrk。
將光盤壓縮文件中的.s2p文件（如圖 1?9）放入\PCB_Parm_Extraction_wrk\data文件夾中，有四個(gè)文件。
圖 1-9 測(cè)量的S參數(shù)文件
2 S參數(shù)的驗(yàn)證
新建原理圖a1_meas_data，按照?qǐng)D 1?10編輯原理圖，并編輯下列模塊和仿真器的參數(shù)。
S_Param：
Start=0 GHz
Stop=40 GHz
Step=0.01GHz
EnforcePassivity=yes
S2P
File=” MD_1p4in_T.s2p”
Type=Touchstone
S2P
File=” MD_1p4in_T.s2p”
Type=Touchstone
圖 1-10 原理圖
點(diǎn)擊快捷圖標(biāo)“Simulate”運(yùn)行仿真，在跳出的顯示窗口中使用左側(cè)的快捷圖標(biāo)“Rectangular Plot”顯示2X直通參考夾具電路和被測(cè)件+夾具電路的S參數(shù)（圖 1?11）。
dB（S（2，1））
dB（S（4，3））
unwrap（phase（S（2，1）））
unwrap（phase（S（4，3）））
圖 1-11 S參數(shù)仿真結(jié)果
圖 1?11的S參數(shù)與測(cè)試過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)分析儀的S參數(shù)完全一致，同時(shí)從相位曲線中可以看出，兩組相位中相差了被測(cè)件帶來(lái)的傳播時(shí)延。
我們還可以從時(shí)域曲線上驗(yàn)證以上結(jié)論，編輯Equation Fixture_2X_TDR和Fixture_plus_DUT_TDR（圖 1?12），通過(guò)“Rectangular Plot”顯示時(shí)域TDR的曲線（圖 1?13），2X直通參考夾具有兩個(gè)明顯的不連續(xù)性（夾具A和夾具B），同時(shí)加上DUT的電路的時(shí)延要大于直通的夾具。
圖 1-12 公式
圖 1-13 S參數(shù)TDR結(jié)果
1.3.2 ARF和測(cè)量結(jié)果去嵌入
1 夾具S參數(shù)抽取
運(yùn)行Keysight PhysicalLayer Test System軟件（以下簡(jiǎn)稱PLTS），在主窗口運(yùn)行菜單欄 Utilities =》 Automatic Fixture Removal =》 Wizard…（圖 1?14）。
圖 1-14 運(yùn)行AFR
在彈出的窗口中進(jìn)行AFR每一步的設(shè)置，在頁(yè)面1，選擇單端信號(hào)雙端口測(cè)量（圖 1?15）。
圖 1-15 AFR-頁(yè)面1
在頁(yè)面2中選擇“2X Thru”（圖 1?16），即夾具A和夾具B直通，在AFR技術(shù)的雙端口直通S參數(shù)提取中，認(rèn)為夾具A的S21和夾具B的S12傳輸函數(shù)是一樣的。
圖 1-16 AFR-頁(yè)面2
在AFR wizard頁(yè)面3中l(wèi)oad之前測(cè)量得到的S參數(shù)文件“MD_1p4in_T.s2p”。Load之后會(huì)在頁(yè)面的下方計(jì)算出夾具中傳輸線的特性阻抗以及夾具的傳輸時(shí)延，如圖 1?17。
圖 1-17 AFR-頁(yè)面3
在頁(yè)面4選擇“De-embeddingfor PLTS measurements”（圖 1?18）。
圖 1-18 AFR-頁(yè)面4
在頁(yè)面5按照?qǐng)D 1?19進(jìn)行選擇，并選擇輸出文件名“my_fixture”，點(diǎn)擊“SaveFixture Files”，將會(huì)有兩個(gè).s2p文件生成，分別代表兩個(gè)夾具的S參數(shù)。
圖 1-19 AFR-頁(yè)面5
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論