Effektives Arbeiten mit dem Vektornetzwerkanalysator De-Embedding leicht gemacht

Autor / Redakteur: Mathias Leutiger / Andreas Leu

Eine strukturierte Vorgehensweise mit dem Vektornetzwerkanalysator führt zu höherer Qualität der Messresultate.

Bild 1: Die Berechnung von Leiterbahneinflüssen auf der Basis von Referenzmessungen ist eine der Einsatzmöglichkeiten der neuen De-Embedding-Optionen.
Bild 1: Die Berechnung von Leiterbahneinflüssen auf der Basis von Referenzmessungen ist eine der Einsatzmöglichkeiten der neuen De-Embedding-Optionen.
(Bild: Rohde & Schwarz)

De-Embedding, das Herausrechnen von Steckern, Zuleitungen und Adaptern aus einem Messaufbau, ist ein seit langem gängiges Verfahren. Im Mikrowellenbereich, wo sich solche nicht zum Messobjekt gehörenden Komponenten besonders störend bemerkbar machen, wird das Verfahren immer wichtiger. Gleich vier alternative Algorithmen für Netzwerkanalysatoren von Rohde & Schwarz erleichtern die Arbeit des Schaltungsdesigners jetzt wesentlich.

Die HF-Kommunikationssysteme der nächsten Generation werden Datenraten im mehrstelligen Gigabit/Sekunde-Bereich und Frequenzen weit jenseits von 20 GHz verarbeiten. Bei derart hochfrequenten Signalen sind die Baugruppenspezifikationen eng toleriert. Zusätzlich verursachen die Mikrowellenfrequenzen mit ihrer Wellenlänge in der Grössenordnung der Komponentenabmessungen Störeffekte in nicht vernachlässigbarer Höhe an Messadaptern, Kabeln, Steckern und Leitungsbahnen. Wie kann dem mess­technisch begegnet werden?

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De-Embedding mit Software-Algorithmen

Vektornetzwerkanalysatoren (VNA) sind das bevorzugte Mittel, um das Übertragungsverhalten von HF-Komponenten präzise zu messen und in Form von S-Parametern zu beschreiben. Präzise Messungen setzen aber voraus, dass die gesamte Messvorrichtung bis hin zum Messobjekt übertragungstechnisch charakterisiert ist, weil nur dann die isolierten Eigenschaften des DUTs korrekt erfasst werden können. Insbesondere bei integrierten Schaltungen ist das nicht trivial, etwa bei einem Analogbaustein, der nicht direkt kontaktiert werden kann, weil er auf eine Leiterplatte gelötet ist. Die Verbindung zum VNA erfolgt dann, sofern die Platine nicht über Koaxialanschlüsse verfügt, über einen Messadapter (Test fixture). Dessen HF-Übertragungseigenschaften sowie die Eigenschaften der Signalleitungen auf der Platine bis zum DUT sind aus der Messung rechnerisch zu eliminieren. Dazu dienen die neuen Software-Optionen.

Die Vorgehensweise ist wie folgt: Der Test­ingenieur misst zunächst die S-Parameter der Referenzstrecke auf einem sogenannten Test-Coupon (Bild 2 unten), der die zu de-embeddenden Komponenten enthält, beispielsweise den Koaxial-auf-Koplanar-Übergang und ein Stück Leitung. In der Regel, weil für die Messgenauigkeit vorteilhaft, konstruiert man einen 2 × Thru-Standard aus symmetrischer Zu- (Fixture A) und Ableitung (Fixture B) zum und vom DUT. Anschliessend werden im zweiten Schritt die S-Parameter der Strecke inklusive DUT gemessen (Bild 2 oben). Beide Messergebnisse werden einem Softwarealgorithmus übergeben, der daraus die Übertragungseigenschaften des «nackten» DUTs berechnet.

Die Qualität des De-Embedding-Prozesses ist nur so gut wie die der Messvorrichtung und des Test-Coupons. Auch setzt der Algorithmus voraus, dass die elektrischen Eigenschaften von Referenzstrecke und Mess­strecke mit DUT identisch sind. Auf einer Leiterplatte lässt sich das einfach einrichten (Bild 2).

Einfacher Workflow voll integriert in die VNA-Bedienoberflächen

Bei den mit den Softwareoptionen verbundenen Algorithmen handelt es sich um industrieweit anerkannte Verfahren (Bild 3). Während die drei ersten Optionen im Wesentlichen funktionsgleich sind und alternativ verwendet werden können, charakterisiert das Delta-L-Verfahren die frequenzabhängige Dämpfung von Hochfrequenzleiterplatten in dB pro Inch und berechnet im Gegensatz zu den anderen Optionen nicht alle Streu­parameter des Einbettungsnetzwerks. Intel empfiehlt diese Vorgehensweise bei Messungen an Leiterplatten für seine Hochgeschwindigkeitsbausteine (Bilder 1 und 5).

Alle Optionen verwenden einen einfach zu bedienenden Workflow (Bild 4), der in die Bedienoberfläche des VNA integriert ist. Der Anwender wird schnell und zielgerichtet durch die notwendigen Messschritte geführt. Nicht nötig sind der Export oder Import der ermittelten De-Embedding-S-Parameter, ein grosser Anwendungsvorteil der integrierten Lösung.

Die De-Embedding-Optionen sind auf allen Top- und Mittelklasse-VNA-Modellen von Rohde & Schwarz lauffähig: R&S ZNA, R&S ZNB, R&S ZNBT und R&S ZND. Mit ihnen lassen sich nun auch die Einflüsse von Messvorrichtungen eliminieren, die das Messobjekt über nicht koaxiale Anschlüsse kontaktieren. Sie eignen sich sowohl für unsymmetrische als auch für differenzielle Messobjekte.

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