如何使用ADS處理網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量傳輸線的S參數(shù)

1 PCB板材寬帶參數(shù)提取

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。

通過本案例學(xué)習(xí)，工程師將涉及的操作方法

使用AEL語言編寫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)量過程中，測(cè)試的結(jié)果包含了測(cè)試夾具所帶來的誤差。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)

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圖 1-1 通過夾具測(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)中分離出來的運(yùn)算過程。

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。

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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。在傳輸過程中可以觀測(cè)到阻抗的波動(dòng)，同時(shí)也帶來了傳輸損耗。

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。這也是AFR自動(dòng)夾具移除校準(zhǔn)技術(shù)所要解決的問題。

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。

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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。

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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。

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

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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。

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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。

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圖 1-8 2X 直通參考夾具

打開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。

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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

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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）））

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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“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

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