Фазостабильные коаксиальные кабели для точных измерений
В статье рассматриваются общие параметры измерений и то, как фазостабильные коаксиальные кабели позволяют повысить точность всего процесса определения характеристик дифференциального сигнала.
Измерение характеристик высокоскоростных устройств
Фазовая стабильность необходима для надежной работы тех контрольноизмерительных систем, где требуется обеспечить точное соответствие между частотой и фазой кабелей при относительно малом дрейфе этих параметров в зависимости от температуры, вибраций и изгибов. Фазостабильные коаксиальные кабели отвечают растущим требованиям к скоростям передачи данных в системах с дифференциальной передачей сигналов.
Такая передача сигналов часто используется в высокоскоростных цифровых (мультигигабитных) устройствах потому, что любой шум одинаково воздействует на обе линии, если у них сильная связь друг с другом (при достаточной ширине проводника для заданного дифференциального импеданса). Соответственно, зачастую в таких системах гораздо проще фильтровать шум, чем в несимметричных линиях, что позволяет смягчить требования к передаваемой мощности.
Синфазный шум, вносимый неидеальными устройствами, можно фильтровать при поступлении в приемник. Однако нельзя не учитывать переходы из синфазного режима в дифференциальный, и наоборот, которые возникают из-за производственных дефектов, вызывающих асимметрию устройств. Все отклонения электрических характеристик от требуемых необходимо выявить и проанализировать причины их возникновения до запуска изделия в производство. Среди широкого ряда способов, позволяющих проанализировать характеристики высокоскоростных дифференциальных устройств, одним из самых востребованных является использование S-параметров смешанного режима.
Рисунок 1
Таблица
S-параметры смешанного режима для синфазных и дифференциальных сигналов на входе и выходе
Общие определения 16 S-параметров смешанного режима
S-параметры, обычно измеряемые с помощью векторного анализатора цепей, являются чрезвычайно полезным средством моделирования и измерения при проектировании и анализе несбалансированных несимметричных и сбалансированных дифференциальных пассивных высокочастотных систем. Однако в случае измерения несимметричного двухпортового радио-частотного устройства для анализа потребуется матрица S-параметров 2×2, а для дифференциального двухпортового устройства – матрица 4×4. На рисунке 1 представлены S-параметры смешанного режима для синфазных и дифференциальных сигналов на входе и выходе.
S - параметры двух портового несимметричного устройства описывают вносимые потери, затухание или усиление (S21), а также потери на отражение, значения коэффициента стоячей волны напряжения (S11). Дифференциальные S - параметры дают представление о характеристиках системы с дифференциальными потерями на отражение (SDD11), о вносимых потерях (SDD21), перекрестных помехах на ближнем конце (NEXT) (SDD31, SCC31, SCD31), перекрестных помехах на дальнем конце (FEX T ) (SDD41, SCC41) и режиме преобразования дифференциальный–синфазный (SCDxx). В таблице определены 16 S-параметров смешанного режима, а на рисунке 2 иллюстрирует некоторые более специфичные параметры, используемые в анализе смешанного режима.
При анализе характеристик также крайне важны параметры передачи во временной области (TDDxx), особенно для оценки джиттера (с помощью глазковой диаграммы) и перекрестных помех. При тестировании многогигабитных цифровых приложений с USB 3.0, Ethernet, сериализаторами/десериализаторами (SerDes) часто применяются многодоменные тестовые шаблоны.
Заметим, что нессметричная матрица S-параметров размером N×N не имеет прямого отношения к матрице S-параметров N×N смешанного режима (см. рис. 3). S-параметры смешанного режима можно получить не только с помощью комплекта векторного анализатора цепей, но и путем математиче- ского расчета из файла Touchstone (SnP) с помощью соответствующих матриц преобразования [1].
Рисунок 2
Рисунок 3
Некоторые важные параметры измерения можно получить из S-параметров смешанного режима. Примечание: перечисленные параметры NEXT и FEXT находятся в состоянии, когда порты 1/2 являются «жертвами», а порты 3/4 – «агрессорами»
Несимметричные S-параметры можно преобразовать в S-параметры смешанного режима с помощью матриц [1]
Анализ временной области (джиттер, коэффициент битовых ошибок)
Анализ временной области можно выполнить с помощью осциллографа (в режиме динамической рефлектометрии), тестера коэффициента битовых ошибок или векторного анализатора цепей, выполняющего обратное дис- кретное преобразование Фурье для преобразования из частотной области (SDD21) во временную (TDD21).
S-параметры смешанного режима используются для установления характеристик дифференциального канала в частотной области (перекрестные помехи, шум, вносимые потери и т. д.), а глазковые диаграммы позволяют анализировать джиттер тактовых импульсов или коэффициент битовых ошибок сигнала (BER), определяя джиттер, помехи и ослабление сигнала. Другие инструменты временной области, например одноимпульсный отклик, позволяют установить межсимвольные помехи в последовательной цепочке символов, которые часто обусловлены джиттером тактовых импульсов, шумом и перекрестными помехами.
Оценка джиттера имеет особое значение, поскольку с ростом скорости передачи данных и тактовой частоты из-за него ухудшается глазковая диаграмма, и намного сокращаются допуски на шумы, перекрестные помехи и производственные дефекты, которые его вызывают. Кроме того, более короткое время нарастания/спада увеличивает количество высокочастотного спектрального содержимого нередко до 5-й гармоники. Например, скорость передачи данных 20 Гбит/с соответствует тактовой частоте 10 ГГц, что требует полосы пропускания 50 ГГц для выявления 5-й гармоники (и, следовательно, увеличения разрешения во временной области).
Для приложений с очень высокой скоростью передачи данных связь между шириной полосы пропускания и длительностью фронтов импульса определяется с помощью уравнения (1):
где шП – ширина полосы пропускания, а τR–время нарастания.
В этих случаях векторный анализатор цепей может стать универсальным инструментом для многодоменного анализа и упрощенного определения характеристик канала. Однако использование прецизионных коаксиальных компонентов, в частности фазостабильных коаксиальных сборок и соответствующих методов устранения ошибок, вызванных испытательными установками, позволяет увеличить точность результатов измерений, которую в состоянии обеспечить испытательное оборудование.
Примеры использования коаксальных кабелей
Современные высокоскоростные цифровые системы связи основаны на точной синхронизации сигналов на стороне передатчика и приемника. В качестве примеров мы рассмотрим использование функциональных блоков SerDes для высокоскоростной передачи сигналов ввода/вывода, а также обобщенные дифференциальные измерения при использовании высокоскоростных интерфейсов USB 3.1, мультигигабитного Ethernet и PCI Express.
Анализ целостности сигнала
Определение допустимых временных границ часто выполняется на стадии проектирования путем оценки характеристик перекрестных помех, джиттера, фазового сдвига и электромагнитного моделирования задержки на прохождение сигнала. Однако для получения более точной оценки потерь канала могут также потребоваться физические измерения с использованием испытательного оборудования. Для улучшения конструкции и оптимизации допусков необходимо выявить недостатки системы.
Измерительные установки требуют наличия вспомогательных испытательных стендов, кабелей и разъемов для соединения с испытательным оборудованием. Использование дополнительных компонентов с плохими характеристиками целостности сигнала может затруднить процесс локализации источников джиттера, фазового сдвига или перекрестных помех. Обычно такие проблемы решаются только с помощью устройств с хорошими характеристиками целостности сигнала. Чтобы исключить источники фазового сдвига в дифференциальной системе испытаний, применяются фазостабильные кабели.
Коррекция ошибок и методы пересчеты
Задачей рабочей группы IEEE P370 было создание отраслевого стандарта для определения характеристик высокочастотных электрических соединений с частотой до 50 ГГц. В некоторой степени эта задача была решена с помощью перечня рекомендуемых методов, предотвращающих неточный пересчет (deembedding – исключение параметров паразитных элементов из параметров тестового устройства с испытательной установкой и кабелями), приводящий к неточным измерениям S-параметров. Эти некорректные данные могут ошибочно использоваться в тех случаях, когда для проверки истинности S-параметров не применялся стандарт IEEE [3].
Для типовой калибровки несимметричной системы требуются измерения сигналов при короткозамкнутом и разомкнутом входе, а также с перемычкой вместо тестируемого устройства (коррекция погрешностей перед измерением) и с тестируемым устройством. При измерении параметров устройств в линии с дифференциальной передачей сигналов стандарт PG370 требует для коррекции погрешностей перед измерением использовать точно такую же печатную плату: с такими же слоями, переходными отверстиями, электрической длиной и ориентацией. Следует понимать, что даже более точные проприетарные алгоритмы пересчета, исключающие параметры испытательного стенда после измерений, увеличивают погрешность теста, изменяя длительность сигналов и не позволяя оптимизировать испытуемое устройство.
Сама процедура пересчета в значительной степени зависит от точности поведенческой модели S-параметров [5]. Например, измерения во временной области, в частности, для определения джиттера, могут оказаться менее точными при измерениях без фазостабильных коаксиальных кабелей, поскольку на показатели джиттера могут непосредственно влиять несоответствия между задержками кабельных сборок.
Необходимость в фазостабильных коаксальных кабелях
Часто в испытательных установках для высокоскоростных дифференциальных компонентов используются короткие коаксиальные или полужесткие кабели, гарантирующие соответствие времени задержек. Однако такие кабели часто затрудняют проведение испытаний из-за негибкости или недостаточной длины, требуемой для подключения к испытательному оборудованию.
К сожалению, простая замена или удлинение двух, казалось бы, идентичных коаксиальных кабелей одинаковой длины не может надежно обеспечить совпадение фаз до пикосекундной точности. Так происходит даже несмотря на отслеживание фазы или контролируемое изготовление кабелей с подходящими материалами при использовании надлежащих методов производства и температурного режима для получения практически одинаковых характеристик коаксиальных кабелей на всей производственной линии.
Для того чтобы фазостабильные коаксиальные кабели функционировали с высокой точностью, при их изготовлении требуется точная резка и монтаж разъема, а также соответствующее тестирование.
Высокоэффективные фазостабильные коаксиальные кабели часто играют определяющую роль и чаще всего используются в несимметричных системах. Проблема несоответствия задержек обостряется только в тех случаях, когда:
- измерения выполняются на длинах волн до миллиметрового диапазона;
- измерения выполняются с более длинными фазостабильными коаксиальными кабелями;
- кабели подвергаются частым изгибам при их использовании в про-ессе измерения.
Изготовление фазостабильных кабелей
Фазостабильные коаксальные кабеля
Каждый фазостабильный коаксиальный кабель из набора должен быть устойчивым по фазе, чтобы задержка между двумя кабельными сборками была порядка пикосекунд. В коаксиальных кабелях всегда имеются потери (S21) из-за внутренних источников, к которым относятся потери в диэлектрике и проводниках.
С другой стороны, задержка фазы/времени (связанная с фазой (S21)) зависит от физической длины кабеля, а также от относительной диэлектрической проницаемости (εr) материала согласно уравнению (2):
Следует также иметь в виду, что длина кабеля, а также диэлектрическая проницаемость зависят от температуры. Линейный коэффициент теплового расширения (КТР), как правило, увеличивается с ростом температуры по мере уменьшения диэлектрической проницаемости. Для оценки того, как изменяется длина кабеля в зависимости от температуры, уместнее использовать КТР внутренних и внешних проводников, поскольку кабель обычно фиксируется металлическим материалом, жесткость которого больше, чем у изолятора.
Разработка фазостабильных коаксиальных кабелей требует диэлектрических материалов со стабильными характеристиками. Часто в диэлектрик вводится воздух. Низкоплотные и вспененные материалы вносят меньше потерь и обладают большей фазовой устойчивостью в зависимости от температуры, благодаря чему скорость распространения (Vp) выше на 75–80%. Однако у таких материалов – меньше общая механическая прочность и менее устойчивая диэлектрическая проницаемость по длине материала. Следовательно, требуется обеспечить баланс между прочностью материала (модулем упругости) и относительной диэлектрической проницаемостью. Фазовая стабильность увеличивается с уменьшением общей механической нагрузки на коаксиальный кабель.
Коаксиальный кабель с высокой фазовой стабильностью часто бывает относительно тонким, что позволяет уменьшить изгибающие силы, приложенные в перпендикулярном направлении к поверхности кабеля при изгибе. Кроме того, между разъемом и линией передачи обычно устанавливаются защитные колпачки для снятия напряжения, амортизирующие воздействие жесткого наконечника разъема на более мягкий коаксиальный кабель при изгибах (см. рис. 4). Температурное воздействие или предварительная термотренировка снижают риск расхождения фаз из-за температурных колебаний в течение всего срока службы кабеля.
Рисунок 4
Пара фазостабильных коаксиальных кабелей
Изготовление двух практически "одинаковых" кабелей
У пары кабелей с почти одинаковыми задержками – одинаковые значения Vp в диэлектрических материалах и длины с точностью не хуже 1–2%. Однако добиться такого соответствия сложнее с увеличением длины кабелей, поскольку возрастают вариации их параметров. Кроме того, с увеличением частоты диэлектрическая проницаемость уменьшается.
Благодаря точному соответствию диэлектрических проницаемостей и, следовательно, временных задержек, фазостабильные пары для передачи миллиметровых волн имеют гораздо более широкую полосу пропускания.
Точность коаксиальной пары с согласованным временем задержки или фазы зависит от качества заделки разъемов и оптимизации каждого отдельного набора кабелей. Выборочного контроля партий, по всей видимости, недостаточно, чтобы межканальная задержка составила, например, 1–5 пс. Следовательно, для обеспечения надежной работы всей линии производства фазостабильных коаксиальных кабелей должен тестироваться каждый комплект со 100-% выборкой.
Выводы
Фазостабильные кабельные сборки успешно используются при определении характеристик высокоскоростных систем с дифференциальной передачей сигналов. Как и контроль- но-измерительное оборудование, зонды и тестовые приспособления, пассивные линии передачи, подключенные к испытательной установке, могут либо улучшать, либо ухудшать ее параметры. Для обеспечения точного соответствия фаз между двумя коаксиальными линиями передачи следует тщательно учитывать множество факторов, влияющих на процесс разработки, что делает согласование задержек между каналами не таким простым, как может показаться на первый взгляд.