Измерение параметров матрицы рассеяния смешанного режима без симметрирующего устройства

Особая роль параметра S_DD21 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 S_DD21, 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:

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.

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 — s_cc21 и s_dd21, соответственно. Вносимую потерю дифференциального режима s_dd21 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:

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 s_dd21.

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.

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.

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

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 f_c, 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 s_dd21 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 s_dd21 это значит: чем ниже синфазный импеданс, тем лучше свойства фильтра в дифференциальных высокоскоростных линиях передачи данных.

Выводы

Измерение параметра s_dd21 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).   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).   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.   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. 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.