Удаление испытательного оборудования

Как правило, высокочастотные векторные анализаторы цепей (VNA) измеряют параметры межсоединений и других РЧ-устройств на испытательных стендах. Это дорогостоящее оборудование трудно проектировать. Кроме того, оно не предоставляет точную информацию о характеристиках испытуемых устройств. Исключение этого звена из процесса измерения намного упрощает процесс измерения испытуемого устройства.

Удаление испытательного оборудования изолирует испытуемое устройство с помощью математического алгоритма, который исключает это оборудование из процесса измерений. Кроме того, для измерения параметров испытуемого устройства в тестовой установке требуются дополнительные измерения, или эталонные измерения устройства. Алгоритм для исключения оборудования использует результаты эталонных измерений для расчета модели испытуемого оборудования, или поля ошибок (error box), которое записывается в матричном виде. Это поле удаляется из измерений методом матричной алгебры.

Производители измерительного оборудования часто называют поле ошибок моделью испытательного стенда или установки. Употребление слова box (окно) в термине error box обусловлено формой сигнального графа. Часто также употребляется термин error model – модель ошибок. В собственной калибровке SOLT (short-open-load-thru – короткое замыкание, разрыв, нагрузка, пропускание) векторного анализатора цепей применяется 12-членная модель ошибок для устранения артефактов между анализатором и портом. Термин «поле», или «матрица ошибок», в этой статье означает также 4-членную модель ошибок.

 

Необходимость в исключении оборудования

Для исключения испытательного оборудования из процесса измерений имеются две основные причины, которые вызваны необходимостью:

1. напрямую сравнить результаты измерения с результатами моделирования;
2. проанализировать изолированный компонент.

3D-симуляция позволяет рассчитать рабочие параметры межсоединений и высокоскоростных систем с последовательно установленными компонентами при проектировании (см. рис. 1). На эти менее дорогостоящие расчеты затрачивается меньше времени, чем на получение опытных образцов. Однако ничто не заменит практических результатов. Как известно, все верят в результаты измерений кроме того, кто их проводил, и никто не верит результатам симуляции за исключением того, кто ее выполнил. Таким образом, все заинтересованные стороны желают увидеть, насколько близкими окажутся результаты измерений и симуляции.

После разработки устройства и проверки его работоспособности с помощью средств моделирования оно устанавливается в лаборатории на испытательную плату (см. рис. 2), где измеряются сигналы на всех портах. Специалисты составляют отчет, в котором сравниваются результаты измерения и симуляции S‑параметров. Из рисунка 3 видно, что эти результаты не совпадают друг с другом.

В таких случаях на помощь приходит метод удаления тестового оборудования. Дальнейшие измерения осуществляются с помощью 2‑ступенчатой калибровочной структуры, которая, как правило, имеется в составе испытательного оборудования. При этих измерениях вычисляются матрицы ошибок, а оборудование исключается из процесса. Инженеры получают новый отчет об S‑параметрах, измеренных без испытательного оборудования, в котором результаты измерения и симуляции совпадают (см. рис. 4). Таким образом, можно сделать вывод о том, что результаты симуляции компонентов нельзя корректно сравнить с измеренными значениями, не исключив из схемы испытательную установку.

Рассмотрим другой случай, когда требуется выбрать компоненты для высокоскоростного канала последовательной связи. Рабочие параметры компонентов для таких приложений иногда представляются в виде таблиц или S‑параметров. Предусмотрительный инженер всегда проверяет любую информацию от производителя исходя из известного правила о том, что все доверяют результатам измерений. Чтобы заказчик получил возможность измерить параметры ВЧ-компонентов, производители поставляют их на оценочных платах. Компоненты изолируются от испытательного оборудования, чтобы разработчик получил достоверную информацию об их исходных характеристиках. Таким образом, удаление оборудования для испытаний обеспечивает корректный и понятный анализ.

 

Проблемы исключения оборудования

Удаление испытательного оборудования – не вполне простая задача, как бы это ни могло показаться на первый взгляд. Некоторым разработчикам трудно разобраться в со­ответствующих методах и их реализации. Кроме того, используемая схема оборудования может ограничить значения S‑параметров изолированного испытуемого устройства. Чтобы облегчить понимание этих вопросов, мы рассмотрим алгоритмы SOL, TRL, 2x Thru и их реализацию.

Алгоритмы удаления испытательного оборудования совершенны с математической точки зрения. Моделирование показывает, как удалить сложные тестовые установки, не внеся соответствующие ошибки. На практике двумя основными источниками возникновения ошибок при исключении оборудования являются недостоверные измерения и некорректные результаты эталонных измерений.

Причинами неправильных результатов измерения могут являться дефектные опорные плоскости и высокий уровень собственного шума. Дефекты в опорных слоях возникают из-за недостаточно продуманной схемы установки или неправильного использования тарировочных ключей. Недостатки проектирования испытательной установки достаточно легко предотвратить, следуя правилам, изложенным ниже. Другое дело – использование ключа. Он откалиброван так, что при превышении допустимого значения крутящего усилия ключа оно ослабевает. При корректном использовании ключа штырек коаксиального разъема проникает на контролируемую глубину, и результаты измерения опорных плоскостей хорошо воспроизводятся. При неправильном удержании ключа рядом с его головкой штырек проникает на недопустимую глубину, повреждая опорную плоскость.

Большой собственный шум легко определить, т. к. S‑параметры отображаются в виде зубчатой горизонтальной линии на уровне собственных шумов. Уровень, на котором находится эта линия, называется также динамическим диапазоном. Динамический диапазон устройств, которые захватывают S‑параметры, находится в пределах –20…–40 дБ. У векторных анализаторов он еще шире, достигая –120 дБ. Использование большего числа усредненных значений позволяет расширить динамический диапазон устройств во временной области. Однако на практике нижний предел для этих устройств находится во временной области приблизительно на уровне –50 дБ. В то же время динамический диапазон векторного анализатора связан с его шириной полосы пропускания ПЧ: чем она уже, тем лучше динамический диапазон. ПЧ величиной 1 кГц является хорошим компромиссом между точностью и скоростью передаваемых данных.

Для получения эталонных результатов измерения параметров изолированного испытуемого устройства используются линии передачи или линии передачи с нагрузкой, которые должны иметь ту же геометрию, что и проводники тестовых установок. Однако у такой линии и проводников всегда разные импедансы. Как правило, производственный допуск на импеданс составляет ±5%. Меньшие допуски достигаются за счет большего процента брака для печатных плат, но за счет дополнительных издержек. Таким образом, на практике допуск в 5% считается наилучшим с учетом вполне приемлемой цены.

Инженеры проектируют несимметричные линии передачи для согласования с импедансом испытательной установки, величина которого, как правило, составляет 50 Ом. В наихудшем случае, который часто происходит на практике, импеданс испытательного оборудования на 5% выше 50 Ом, а импеданс линии передачи – на 5% ниже этой величины. Таким образом, необходимо устранить разницу в 5 Ом между этими импедансами. В этом случае наблюдается «рябь» на кривой отраженных S‑параметров (см. рис. 5). Чтобы минимизировать указанную разницу между импедансами, используются медные полосковые линии передачи с толщиной медного покрытия в четверть или половину унции. Такое решение позволяет быстро удалить нежелательный слой меди, минимизировав отклонение импеданса. Полосковые проводники также позволяют устранить разброс параметров, возникший при металлизации и использовании паяльной маски.

 

Методы исключения оборудования

Большинство методов исключения испытательного оборудования разрабатывается с помощью сигнальных граф-схем, которые определяют линии передачи в виде передаточной функции. Все, что связано с концами этих линий, описывается коэффициентом отражения. При использовании метода SOL (Short-Open-Load – замыкание–разрыв–нагрузка) необходимо знать величины коэффициентов отражения еще до их измерения. В методах TRL (Thru-Reflect-Line – пропускание–отражение–линия) и 2x-Thru предполагается, что значения этих коэффициентов неизвестны. У каждого из этих методов имеются свои преимущества и недостатки.

 

Известные эталонные значения

SOL

На рисунке 6 показан сигнальный граф, который применяется для получения расчетных формул методом SOL. e₀₀, e₀₁, e₁₀ и e₁₁ – S‑параметры матрицы ошибок. Этот сигнальный граф в математическом виде представляет собой результат измерения методом SOL. Предположим, что e10 = e₀₁, а остальные три величины неизвестны. Измеренный однопортовый S‑параметр связан с сигнальным графом уравнением (1). С помощью этого уравнения, правила Крамера и трех измеренных величин Г, e₀₁, e₀₀, e₁₀ можно определить значение e₁₁. На практике чаще всего для определения трех коэффициентов отражения применяется метод «замыкание–разрыв–согласование».

Коэффициент отражения в конце линии передачи, подключенной к коаксиальным разъемам, измеряется с помощью векторного анализатора цепей. Метод SOL применяется только при использовании коаксиальных трактов этого анализатора, что ограничивает применимость метода.

 

Неизвестные эталонные значения

Метод TRL

В названии метода TRL первая буква означает прохождение сигнала по линии передачи, длина которой в два раза больше длины линий передачи испытательного оборудования. Буква R означает отражение сигнала при той же длине линии, что и у линий передачи испытательного оборудования с разомкнутой или замкнутой цепью в конце. Буква L означает прохождение сигнала по линии с небольшой дополнительной длиной. Чтобы получить матрицу ошибок с помощью этого метода, нет необходимости заранее знать величины S‑параметров эталонных измерений. Однако дополнительная длина линии определяет используемую ширину полосы матрицы ошибок. Таким образом, нельзя однозначно утверждать, что указанная необходимость отсутствует.

Уравнения (2–3) устанавливают взаимосвязь между минимальной и максимальной частотами при увеличении длины линии связи.

В этих формулах l – добавочная длина линии передачи в метрах, а ε_r – диэлектрическая проницаемость, величина которой указана в техническом описании печатной платы.

Учитывая, что ширина полосы пропускания каждой линии передачи ограничена, в расчете матрицы ошибок методом TRL используется несколько линий. Поскольку большинство измерений с помощью векторного анализатора цепей начинаются на частоте 10 МГц, потребовалась бы линия передачи длиной 8,4 м! Чтобы избежать использования линии такой длины, осуществляется согласование с линией передачи бесконечной длины, что теоретически позволяет работать на самых низких частотах.

Согласно [1], матрица ошибок при использовании методом TRL начинается с расчета e^‑γl:

В этом уравнении L_mn – S‑параметры линии, а T_mn – S‑параметры линии передачи, длина которой в два раза превышает длину линий передачи испытательного оборудования. Выбор знака делается так, чтобы действительная и мнимая части γ были положительными. Далее рассматриваемая нами матрица ошибок рассчитывается с помощью уравнений (5–7):

Предполагается, что e₀₁ = e₁₀, и мы нашли все S‑параметры матрицы ошибок. Подробнее об этом алгоритме см. [1].

Метод 2x-Thru

Этот надежный метод обеспечивает ту же матрицу ошибок, что и TRL. Исходя из того, что e₀₁ = e₁₀, с помощью сигнального графа получаем два уравнения:

Решение для трех неизвестных величин нельзя получить с помощью только двух уравнений. Чтобы определить одну из них, рассмотрим T₁₂ во временной области и рассчитаем ее отклик на ступенчатое воздействие. Необходимо установить величину T₁₂ по уровню 50%.

Далее рассмотрим характеристику T₁₂ во временной области и тоже рассчитаем ее отклик на ступенчатое воздействие. Поскольку время прохождения сигнала по линии передачи T₁₁ в два раза больше, конец линии T₁₂ приходится на середину длины T₁₁. Все значения для средней точки T₁₁ стремятся к нулю, а импульсная характеристика этих изменившихся данных возвращается в частотную область, т. е. определяется как e₀₀. Рассчитаем остальные S‑параметры матрицы ошибок с помощью уравнений (8–9). Убедимся при этом в корректности фазы при вычислениях. С этой целью применяется алгоритм, описанный стандартом IEEE P370.

Методы TRL и 2x-Thru перемещают опорную плоскость в испытательное оборудование, что не обеспечивается с помощью метода SOL. Однако для реализации TRL и 2x-Thru требуется идентичность импедансов тестового оборудования и испытуемого устройства. Если эти значения разные, S‑параметры устройства рассчитываются некорректно.