Redirect= Измерение параметров рассеяния в смешанном режиме
Объединяя два узловых порта в один дифференциальный порт, можно измерить четырехпортовый фильтрующий элемент с помощью сетевого анализатора с двумя входами

Измерение параметров матрицы рассеяния смешанного режима без симметрирующего устройства

№ 3’2019
PDF версия
Увеличение скорости передачи данных и их объемов требует использования более совершенных помехоподавляющих элементов, которые не вносят изменения в тракт передачи, нарушая целостность сигналов. Чтобы выбрать такие компоненты, необходимы методики измерения, соответствующие новым реалиям. В этой статье, являющейся переводом официальной публикации компании Wurth Elektronik, предлагается решение данной задачи путем корректного выбора синфазных дросселей для высокоскоростных линий передачи данных.

Особая роль параметра SDD21 в технике высоких частот

Увеличение объемов информации, а также соответствующее увеличение скорости обмена данными предъявляют строгие требования к качеству, или целостности сигнала, при которой обеспечивается его безошибочная передача. Возникающие на этом пути сложности особенно очевидны на примере уже довольно широко используемого интерфейса USB 3.0 (SuperSpeed), который работает со скоростью 5 Гбит/с. Если в приложениях с предыдущей версией USB 2.0, работающего со скоростью 480 Мбит/с, достаточно было использовать обычный синфазный дроссель, то теперь для подавления шума необходимы специальные высокочастотные компоненты. Как они отличаются друг от друга, показывает измерение параметра SDD21, представляющего собой вносимые потери в дифференциальный сигнал (для простоты их называют дифференциальными потерями). Он характеризует изменения полученного дифференциального сигнала по амплитуде и по фазе после прохождения сигнала по каналу и отражает его способность качественно передавать дифференциальный сигнал.

S‑параметры — это элементы т. н. матрицы рассеяния многополюсника, которые описывают величину мощности или напряжения, передаваемых с порта микросхемы на плату. Особенно важную роль они играют в высокочастотной технике, поскольку во многих случаях ток и напряжение нельзя четко определить. Однако при этом можно измерить параметры волны, которая поступает в порт или отражается от него. Преимущество представления параметра с волновыми импедансами состоит в том, что оно позволяет предотвратить нежелательное преобразование импеданса на входах и выходах схемы.

Число S‑параметров, необходимых для описания схемы, рассчитывается как квадрат числа портов. Например, фильтрующий элемент с двумя входами и двумя выходами (рис. 1), т. е. четырехполюсник, описывается шестнадцатью S‑параметрами. Матрица рассеяния для четырехпортового фильтрующего элемента характеризует связь между отдельными входящими a1, a2, a3, a4 и отраженными волнами b1, b2, b3, b4:

Формула

Четырехпортовый фильтрующий элемент с входящими и исходящими направленными волнами

Рис. 1. Четырехпортовый фильтрующий элемент с входящими и исходящими направленными волнами

Определение S‑параметров в матрице зависит от характеристического импеданса Z0, величина которого для высокочастотной техники обычно выбирается равной 50 Ом. Анализаторы цепей измеряют S‑параметры как функцию частоты и представляют их в виде безразмерных комплексных чисел, которые часто преобразуются в децибелы и градусы фазы. В принципе, параметры всех тестируемых устройств с более чем двумя портами можно измерить с помощью векторного анализатора цепей с двумя входами. Все входы, которые в определенный момент времени не используются для измерений, необходимо нагрузить импедансом 50 Ом. Чтобы определить все S‑параметры в рассматриваемом случае с двумя входами, осуществляется n(n–1)/2 полных измерений. С одной стороны, этот метод очень трудоемкий и его нельзя автоматизировать из-за ручного подключения/переключения коаксиального измерительного соединения или путем измерения пиков на пластине. С дугой стороны, на точность измерения влияют паразитные эффекты.

 

Физическое и математическое представление симметрирующего устройства

Симметрирующее устройство, которое на инженерном жаргоне называется балуном (BALanced/UNbalanced), как правило, представляет собой трансформатор с согласованием импеданса, преобразующий электрический сигнал из симметричного в несимметричный, и наоборот. Это устройство позволяет увеличить количество физических входов анализатора сети с двух до четырех. В зависимости от конструкции балуна, обеспечивающего разность фаз между двумя выходами 0° или 180°, можно возбуждать порты тестируемого устройства в фазе и в противофазе. Однако у этого достаточно простого метода имеются два недостатка.

Во‑первых, чтобы откалибровать измерительную систему, необходимо разработать и подготовить калибровочные стандартные приспособления (комплекты эталонных мер) для обоих режимов возбуждения. Вторым недостатком является амплитудно-частотная характеристика делителя мощности (сплиттера). Для синфазного возбуждения делитель мощности изготавливается из резисторов и, таким образом, имеет широкую полосу пропускания. Однако фазовый сдвиг 180° обеспечивается только в ограниченном частотном диапазоне из-за неидеальности резисторов, а измерение с помощью балуна может осуществляться только до частоты 1,2 или 1,5 ГГц.

Для получения характеристики многопортового устройства при возбуждении в фазе или противофазе требуется модальная измерительная система. Однако при ее использовании возникают проблемы с одновременным возбуждением нескольких портов. Измерительный сигнал между двумя измерительными входами должен поддерживаться во всем частотном диапазоне определяемого фазового сдвига. Для возбуждения синфазной волной требуется сдвиг фазы 0°, а для противофазной волны — 180°. Однако модального возбуждения можно избежать путем расчета соответствующей характеристики по связанным с портом S‑параметрам [1].

 

Особенности S‑параметров смешанного режима

В отличие от узловых параметров, модальные S‑параметры, или т. н. S‑параметры смешанного режима, позволяют оценить параметры дифференциального отражения и передачи любого из четырех портов. Для этого два узловых порта объединяются в один дифференциальный (рис. 2). По сравнению с традиционными измерениями с помощью балуна, преимущество измерения S‑параметров смешанного режима заключается в том, что оно обеспечивает идеальную симметрию в широком частотном диапазоне до нескольких ГГц, что особенно эффективно в случае измерений в ВЧ-диапазоне. Эта методика позволяет также очень легко измерить S‑параметры синфазного и дифференциального режимов, получив воспроизводимые результаты.

Объединяя два узловых порта в один дифференциальный порт, можно измерить четырехпортовый фильтрующий элемент с помощью сетевого анализатора с двумя входами

Рис. 2. Объединяя два узловых порта в один дифференциальный порт, можно измерить четырехпортовый фильтрующий элемент с помощью сетевого анализатора с двумя входами

Матрицы для смешанного режима и S‑параметры организованы аналогичным образом: столбцы представляют возбуждающие порты, строки — принимающие порты. В уравнении синфазные волны обозначаются аналогично матрице рассеяния индексом «c», волны дифференциального режима — индексом «d». Для анализа схем фильтра особенно значимыми являются параметры синфазной и несинфазной передачи — scc21 и sdd21, соответственно. Вносимую потерю дифференциального режима sdd21 особенно важно учитывать при измерении высокочастотных дифференциальных сигналов данных, поскольку она предоставляет информацию о том, присутствует ли связанный дифференциальный режим также в фазе на выходе. Матрица рассеяния в смешанном режиме для четырехпортового фильтрующего элемента выглядит следующим образом:

Формула

где dd — дифференциальный режим работы; cc — синфазный режим работы; dc — синфазное возбуждение/дифференциальный отклик; cd — противофазное возбуждение/синфазный отклик.

Противофазные помехи распространяются в том же направлении, что и полезный сигнал. По этой причине фазы двух сигналов должны быть синхронными в обоих проводниках дифференциальных импульсных линий. Кроме того, эти линии должны иметь одинаковые свойства в любой точке между отправителем и получателем и практически одинаковую электрическую длину. Если это не так, волны, отраженные в приемнике с разными фазовыми задержками сигналов в линиях 1 и 2, не достигают узла с разностью фаз 180°. Некоторые из сигналов дифференциального режима преобразуются в энергию синфазного режима, что вызывает паразитные помехи и дополнительные отражения. Как известно, разность фаз зависит от частоты. В высокочастотных линиях волновое сопротивление зависит еще и от размеров проводника. Если длина кабеля превышает длину волны, например в высокочастотном диапазоне, и соотношения импеданса в системе не согласованы, в линии возникают отражения. По этой причине пригодность линейного фильтра проверяется путем измерения sdd21.

 

Измерительная установка и результаты

В эксперименте испытывались синфазные дроссели (или т. н. дроссели с компенсацией тока) серии WE-CNSW [2] компании Wurth Elektronik, а также новые высокочастотные образцы синфазных дросселей серии WE-CNSW HF [3] (рис. 3) этой компании и компоненты ее конкурентов.

Внешний вид синфазных дросселей серий

Рис. 3. Внешний вид синфазных дросселей серий:
а) WE-CNSW;
б) WE-CNSW HF компании Wurth Elektronik

Результаты исследований приведены на рис. 4 и представлены в таблице.

Результаты измерения Sdd21. Частота среза при –3 дБ определяется как эталонная. Линейные фильтры из серии WE-CNSW HF достигают максимума на частоте 6,5 ГГц

Рис. 4. Результаты измерения Sdd21. Частота среза при –3 дБ определяется как эталонная. Линейные фильтры из серии WE-CNSW HF достигают максимума на частоте 6,5 ГГц

Таблица. Технические характеристики измеренных компонентов

Наименование, тип

Серия, исполнение

Частота среза fC,
(Sdd21 = –3 дБ), ГГц

Импеданс Z
на частоте 100 МГц, Ом

Рабочее напряжение
UR (макс.), В

Сопротивление по пост. току RDC, мОм

Рабочий ток IR, мА

Область
применения

744233670

WE-CNSW 0805 HF

6,5

67

50

240

320

USB 3.0

Конкурент A

Типоразмер 0504

5,0

60

50

500

280

USB 3.0

744233900

WE-CNSW 0805 HF

4,5

90

50

300

280

HDMI

Конкурент Б

Типоразмер 0504

3,8

90

50

500

280

HDMI

744231061

WE-CNSW 0805

3,0

67

50

250

400

744231091

WE-CNSW 0805

1,7

90

50

300

370

USB 2.0

Для тестирования компоненты были установлены на середину тестовой платы. Каждый из них был подключен к внешним концам линий с помощью разъема SMA. Затем в два сигнальных тракта дросселя подавался дифференциальный сигнал. На частоте среза fc, определенной по затуханию на уровне –3 дБ, подаваемый и отраженный дифференциальные сигналы больше не сдвинуты по фазе на 180°, или на полезный сигнал воздействуют паразитные помехи от сдвинутого по фазе сигнала и целостность первого из них существенно нарушена. Анализатор цепей рассчитывал вносимые потери sdd21 по узловым параметрам рассеяния.

Поскольку синфазные дроссели для синфазных сигналов обладают высоким импедансом, а для дифференциальных сигналов — гораздо меньшим импедансом, эти фильтрующие элементы обеспечивают синфазное подавление дифференциальных систем передачи и, следовательно, повышают помехоустойчивость. Таким образом, обеспечивается соответствие стандартов по электромагнитной совместимости (ЭМС).

Разницу с фильтрами, особенно для высокоскоростных линий передачи данных, например USB 3.0, лучше всего объяснить прямым сопоставлением линейного фильтра WE-CNSW HF 744233670 с синфазным импедансом 67 Ом на частоте 100 МГц и фильтра от конкурента А с синфазным импедансом 60 Ом, также измеренном на частоте 100 МГц. Хотя оба имеют высокое затухание в синфазном режиме, частота среза ВЧ-модулей серии WE-CNSW примерно на 1 ГГц выше и приближается к 6,5 ГГц. Это значит, что с увеличением частоты влияние асимметрии на дифференциальные сигналы данных в синфазных ВЧ-дросселях компании Wurth Elektronik меньше, чем при использовании схожих изделий ее конкурентов. Данное преимущество обусловлено использованием специального ферритового материала, а также больших зазоров между двумя обмотками. Поскольку все испытанные фильтры имеют одинаковую конструкцию и типоразмер 0805, больший зазор между обмотками позволяет уменьшить число витков в обмотках. Чем оно меньше, тем ниже импеданс, что, в свою очередь, смещает резонанс в сторону более высоких частот. Применительно к параметру sdd21 это значит: чем ниже синфазный импеданс, тем лучше свойства фильтра в дифференциальных высокоскоростных линиях передачи данных.

 

Выводы

Измерение параметра sdd21 показало, что фильтры, созданные на основе высокочастотных синфазных дросселей WE-CNSW, подходят для подавления синфазных помех на частотах до 6,5 ГГц и не влияют на дифференциальные сигналы передачи данных, т. е. обеспечивают целостность сигнала. Результаты измерений также показали, что стандартные синфазные фильтры не удовлетворяют этому требованию. Можно с уверенностью сделать вывод: целостность сигнала в линии связи через высокоскоростной интерфейс, например USB 3.0, гарантируется только специализированными высокочастотными компонентами [4].

С балуном или или без — вот в чем вопрос

Что такое балун?

Название «балун» или в англ. терминологии «BALUN» — это сокращение от «BALanced/Unbalanced». В общем случае — это двунаправленное пассивное устройство, используемое для отправки/приема сигнала по витой паре или через некое устройство, например, фильтр. Для простоты понимания остановимся на витой паре. Как отправитель, балун преобразует «нормальный» сигнал с привязкой к общему проводу (условной земле) два сигнала, которые отличаются фазой. В итоге мы имеем в положительный и отрицательный (инвертированный) сигналы, то есть, преобразованные в дифференциальные, с половиной амплитудой и сдвинутые по фазе на 180°. Как приемник, балун выполняет обратную операцию — восстанавливает исходный сигнал с исходной амплитудой. В метрологии балуны используются для минимизации внешних помех при передаче данных (рис. 1).

 

Передача сигнала с использованием балуна для обеспечения помехоустойчивости

Рис. 1. Передача сигнала с использованием балуна для обеспечения помехоустойчивости

Измерение с использованием балунов

При этой методологии измерения ближний и дальний концы кабеля соединены балунами. Отправитель и получатель являются частью двухпортового векторного анализатора электрических цепей (Vector Network Analyser, VNA). Векторный анализатор рассчитывает соотношение энергии, а именно — сколько введенной энергии достигает получателя и сколько возвращается отправителю (рис. 2).

 

Схема измерения с использованием балуна

Рис. 2. Схема измерения с использованием балуна

Измерение без балуна

Благодаря модальным алгоритмам декомпозиции и четырехпортовому векторному анализатору балуны могут быть удалены из состава автоматического испытательного оборудования. В этом случае каждый из четырех концов кабеля должен быть последовательно подключен к отправителю. При этом измеряются энергия, передаваемая трем другим концам, и отраженная энергия (рис. 3). Для расчета параметров используются шестнадцать полученных кривых.

 

Схема измерения без использования балуна

Рис. 3. Схема измерения без использования балуна

Какой метод выбрать

Оба метода имеют как преимущества, так и недостатки, ограничивающие их применение. Поэтому важно тщательно проанализировать предмет измерения, понять существующие ограничения и не тешить себя иллюзиями. В этом может помочь следующая таблица.

Таблица

Метод измерения без балуна является стандартизованным American National Standards Institute (Американский национальный институт стандартов) в соответствии с ANSI/TIA‑1183: Measurement Methods and Test Fixtures for Balun-Less Measurements of Balanced Components and Systems.

Литература
  1. Dipl.-Ing. Christof Ziegler, 4-gate network analysis and on-wafer measuring technology to determine modal scattering parameters up to 50 ГГц
  2. WE-CNSW SMT Common Mode Line Filter.
  3. WE-CNSW HF SMT Common Mode Line Filter.
  4. Р. Шиллингер, Р. Блейки. Эффективная фильтрация и защита порта USB 3.1. Часть 1//Компоненты и технологии. 2019. №8.
  5. Balunless measurement of mixed-mode scattering parameters. ANP004. Würth Elektronik.
  6. WITH or WITHOUT BALUN — AESA Cortaillod.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *