En liten övning hur det kan se ut när man arbetar med S-parameter av en kristall upptagen med en hp8751E nätverksanalysator
I det här fallet är det ett SAW-filter som arbetar vid 71 MHz med gaussisk karaktär för att ha så låg grupplöptidsdistorsion i passbandet som möjligt.
När man mätte upp denna så tog man bort alla faktorer som kabellängder och dess dämpning mm. och referensplanet är pinnen precis intill kristallkåpan
Verktyget jag arbetar med är 'vipec', en opensourceprogramvara som redan för mer en 10 år sedan hade en 'tuner' som gjorde att det i realtid gick att trimma komponentvärden nästan som fysisk handtrimmning. Det tog många år innan den funktionen övh. dök upp i halvmiljon-mjukvaror för RF-utveckling.
Inkopplingen är enklast möjlig med port 1 och port 2 med en 4 ports S-parameter box kopplad till S-parameterfilen mellan portarna
första påsynen ger samma diagram som man såg i nätverkaren
bild 1
kurvan ser inte så trevlig ut och har hög dämpning
bild 2
i stort sett totalreflektion
bild 3
Grupplöptidsdistorsion på nästan 1.2 µs inom 100 kHz
bild 4
i smithcharten ser man knorrar av filtrens påverkan i cirkelns perferi.
---
I denna vy kan man inte göra någon som helst bedömning om filtret är användbar eller ej och i många äldre nätverkare kan man inte simulera eller det är väldigt bökigt att simulera hur kretsen skulle se ut vid annan portimpedans än den mäter med.
För att komma vidare så måste man göra sig av med den starka kapacitiva lasten kristallen utgör och nästan kortsluter kristallen, X-värdet säger att reaktiva parten är x = -1.87 * portimpedansen = -1.87 * 50 Ohm = -93.5 Ohm reaktivt vilket med C = 1/(2PIfx) = 23.97 pF - sedan får man räkna ut på samma sätt på den andra porten.
Man kan räkna nödvändig induktans på samma sätt som när man skall faskompensera elmotorer, men i vipec gör man variabel med lämplig intervall som "tunern" kan arbeta med och kopplar det till resp induktans mot jord på var sida om kristallens anslutning och därefter 'rattar' man in det.
med induktansen så kompenserar man bort kapacitansen och med tunern får man till värdet så att 'knorrarna' hamnar längst till höger i smitchart för högsta möjliga impedans som också blir mesta möjligt reell impedans. induktanserna för positionen på bilden hamnade på 183 resp. 211 nH
bild 5
Detta påverkar inte de övriga kurvorna nämnvärt så dessa utelämnar jag
Jag satte också markörer på dom största öglorna som sträcker sig mot vänster i x-axeln för att få en ide vilket impedansområde kristallen tänkas kunna arbeta med om man tittar på R-värdet * 50. För port 1 så hamnar man på 830 Ohm och för port 2, 644 Ohm, om man skall förvänta sig att öglans slinga går igenom centrum på smithchart - alltså tar vi ett medelväde typ 750 Ohm (förklarar senare varför) och ändrar portimpedanserna i simuleringen till dessa värden.
bild 6
Kurvan betydligt snyggare (gaussisk filter _är_ rund i toppen), och runt 15 dB högre i magnitud och nu med dryga 6 dB i förlust
bild 7
man såg att det hände saker med grupplöptiden och dess distorsion är nu nere på 1/10-dels µs
bild 8
returförlusten börja se vettig ut
bild 9
och här ser man hur 'öglorna' har transfererat till nära mitten av smithchart och indikerar hyffad effektanpassning
Nu ser man dock en sak som inte syntes förut - den där bananböjen som är på höger sida om 'knorren', som borde ligga i kant med med yttercirkeln på smithcharten - jag har uppenbart fuskat med kalibreringen... - närmare bestämt de två 5 cm långa testkablarna för jiggen som mäter kristallen - längdmässigt är det kompenserat med elektrical delay - men det som är missat är kabelns dämpning och kanske viss mån bondtrådens resistans inne i kristallkåpan (som här visas som resistans när det fasmässigt är vridet maximalt till smithchartens vänstra kant)
Genom att med teoretisk fördröjningslinje och 50 Ohm impedans på simulatorns portar förflytta 'knorren' från högersidan till maximalt vänster på x-linjen i smithdiagramet och därefter välja 1 Ohm portimpedans så kom jag fram till att felet är ca 0.3 Ohm inklusive dielektrisk och skinn-förlust (0.15 Ohm i kabeln eftersom effekten går kabelvägen 2 gånger, visar inte processen här)
Detta 'fel' kan i efterhand kompenseras med omräkning av S-parameterlistan eller av teoretiska transmissionslinjer med negativ dämpning (jepp, förstärkning alltså och det är härifrån begreppet 'negativ resistans' kommer ifrån) som många RF-simulatorer kan göra - dock inte vipec. (processen att 'klä av' en mätning från påverkan av jiggar och annat med goda gissingar och/eller uppmätningar i efterhand kallas ofta för 'de-embedding' och kan gå ned på så fina detaljer som hur mycket benböjen på anslutningsbenet på en SOT-kapsel påverkar och senare vad som händer när benet går in i plasten med helt annan dielektricitetskonstant, senare gå över till bondtråd med mycket smalare diameter (antingen ingjutet i plasten eller i luft - ger helt olika egenskaper) och den vägen få fram vad impedansen är på själva chippets anslutning där bondtråden svetsas fast - vi pratar om en sammantagen sträcka på någon mm på komponenten och sådant är jätteviktigt om man skall köra 2.4 GHz och högre eller väldigt bredbandigt och skall göra matchningsnät som skall kompensera så bra det går de olägenheter som tex. benböjen och plastkapslingen ger - favorit-hatobjektet i det sammanhanget är laserdioden som man vill trycka på i flera Gbit-fart då dess kapsling är inte för fem öre anpassad för RF-frekvenser och dioden innanför ligger på någon enstaka Ohm i karaktäristisk impedans ( typ TO 18/52/72 metallkanna...))
Nu kommer jag till punkten varför jag inte körde med olika portimpedanser i mätningen ovan - med olika impedanser på portarna så får man olika nivåer i transmissionsvyn (S21,S12) i respektive riktning - detta har och göra med hur det räknas inuti simulatorn som ofta använde Y eller Z-parameter - ej S-parameter och den effekten delas av många betydligt dyrare simulatorer.
se resultatet med 833 Ohm på port 1 och 644 Ohm på port 2,
bild 10
Skall man kolla transmissionsförlusten i ett nätverk med olika designade impedanser på dess in och utportar, utan att portimpedanserna i simulatorn är med som dellaster så måste man använda teoretisk transformator för att konvertera den avvikande portimpedansen till nätverket till samma impedans så att alla simulatorportar har samma impedans - detta gäller inte bara vipec utan detta gäller också väldigt dyra simulatorer.
Slutligen nämnde jag att kristallfilter behöver ofta trimbara komponenter i dess anslutningsportar och på just den här kristalltypen så är det trimbara drosslar som gäller. Om man jämför bild 9 och bild 8 med nedanstående så ser man konsekvensen av 10 nH avvikelse (drygt 5% av värdet) på en av induktanserna önskade intrimmade värdet:
Inte så lätt att se någon skillnad på transmissionen när man ser enskilda bilder - men man tycker att det händer mycket med kurvan när man skruvar i realtid och det är lite av samma känsla som att få en tavla att hänga rakt på väggen då även en väldigt liten avvikelse mot önskat syns lång väg... ..och egentligen blir man aldrig riktigt helt nöjd...
när man lägger ihop bilderna så ser man skillnaden tydligare
Och detta kan vara nog för att filtret skall fallera eller bli godkänd i en produktionslina då man tittar på flathet i topp, hur centrerat och symmetrisk den är kring 71 MHz, grupplöptid, magnitud, ojämnhet i kurvan etc.
kör man båda drosslarna 10 nH avvikelse åt samma håll samtidigt i båda lägena så ser det ut följande:
och slutligen vid lek med olika impedanser 300, 700 1000 och 2000 Ohm på portarna
Där lägsta kurvan är 300 Ohm, den undre av dom som nästan sitter ihop är 700 Ohm, den övre av dom som nästan sitter ihop och har en knyck på kurvan i vänsterkanten är på 1000 Ohm och den riktigt krokiga kurvan är vid 2000 Ohm portimpedans. Det här värdet kan man behöva labba med vid nydesign för att få kontroll av flathet i toppen, jämnhet, symmetri etc. tillsammans med induktanserna på var sida om kristallerna för att det skall bli som förväntat och enligt spec. samt marginal nog i produktion för rimlig yeld. - man kanske måste ta upp karaktär av 100 kristaller för att se hur mycket värdena hoppar omkring för induktanserna så att man väljer drossel med rätt regleromfång då det är dyrt att byta en drossel som ligger precis utanför reglerområdet för att kunna få till trimmningen, men samtidigt undvika en drossel med för stor reglerområde som då blir för känslig och svårtrimmat samt långtidsosäker.
---
Någon kanske inflikar att ovanstående är bara teoretiska övningar - men jag säger då detta är mätningar från fysiska kristaller att överensstämmelsen mellan simuleringen och verklig enhet med samma kringkomponenter (vilket kan innebära uppmätta S-parameterblock före och efter kristallen som emulerar förstärkaren före och förstärkaren efter inklusive striplines men kanske med bortmonterade trimkomponenter etc. som man istället emulerar i simulatorn för att se dess verkan på systemet) är hårresande exakta och man kan i princip lägga diagrammen från verklig mätning och simuleringen på varandra och kurvorna faller till samma linje om man får till skalorna rätt. Ovanstående kristall sitter för övrigt i en produkt någonstans i sverige.
Antagligen har jag ingen vidare S-kurva.
)
