基于寬頻率范圍矢量網(wǎng)絡分析儀的高速互聯(lián)測試

圖1: 毫米波矢網(wǎng)VectorStar Broadband ME7838A 系統(tǒng) 配合3743A 毫米波模塊

成本/性能權衡
更高的數(shù)據(jù)傳輸速率引入新的設計挑戰(zhàn)（如印刷電路板的導體趨膚效應和介電損耗），以及設計權衡相關的過孔，疊層，和連接器引腳。評估的背板材料的選擇和各種結構的影響，需要在頻域和時域進行精確的測量。精確的測量為成本/性能權衡決策提供了信心。其目的是通過眼圖評估互連的影響。圖2示出背板在眼圖上的影響的一個例子。

圖 2: 背板在眼圖上的影響

有些問題是由于過孔，疊層和連接器引腳所引起的。然而，頻域數(shù)據(jù)本身不足以定位特定問題的位置。此時有必要變換到時域數(shù)據(jù)。無源元件，以及子板之間的近場和遠端點，必須測量電路板的頻率域和時間域，以確保在每個測量點的傳輸特性滿足標準。用最好的分辨率，來提高對不連續(xù)性，阻抗的變化，和串擾等問題的定位能力。此外，今天的許多結構是電大尺寸并對測量解決方案的無混疊的范圍施加壓力。
準確的模型有助于加快設計周期。然而，模型好壞僅取決于模型加載的參數(shù)，不準確的參數(shù)會最終導致仿真結果的不準確，潛在的銜接問題和不精確。反之，低頻測試信息不準確導致的直流外推誤差，也降低了模型的準確性，并與3維電磁仿真結果不一致。
在很多情況下可能無法直接連接到被測設備（DUT）。在這些情況下，去嵌入DUT周圍的測試夾具就很有必要。有時需要與此相反的過程：對于某個器件，當周圍環(huán)繞其他網(wǎng)絡時，使用嵌入功能來評估器件的性能。然而，許多消極和本質的問題是由于不良的校準和去嵌入方法。此外，高的夾具損耗可能會影響去嵌入的準確性和可重復性。幸運的是，面對這些挑戰(zhàn)，最新的矢量網(wǎng)絡分析儀技術可以提供解決方案。

最大頻率范圍

高端和低端的頻率范圍限制了對背板或其它互連的S-參數(shù)表征，并影響數(shù)據(jù)質量和任何后續(xù)的建模，但原因不同。通常首先想到的是高端的頻率范圍，許多人對NRZ時鐘頻率3次或5次諧波進行測量。對于一個28 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，這意味著一個42 GHz或70 GHz截止頻率的S-參數(shù)掃描。另一種對測量頻率上限的考慮是基于因果性。當S-參數(shù)數(shù)據(jù)被轉換成時域用于進一步仿真，因果性誤差可能會出現(xiàn)。
對頻域數(shù)據(jù)整理時，可以減少這些問題，有很多潛在的問題與對設備實際特性的曲解相關。要使仿真更安全，更準確，使用盡可能寬的頻率范圍– 直到最高頻點的重復性和失真（例如，DUT開始有效地輻射，測量非常依賴周圍環(huán)境）會影響測試結果。由于在更高層次的仿真中，正在研究更快和更復雜的瞬態(tài)響應，所以更寬頻率范圍數(shù)據(jù)的需求變得更強烈。

圖 3: 當?shù)皖l測試數(shù)據(jù)有錯誤時，眼圖仿真的結果

低頻端的頻率掃描范圍同樣重要。當獲得數(shù)據(jù)越接近直流, 越能提高模型精度。例如，考慮這樣一種情況下，測得的S-參數(shù)的數(shù)據(jù)被送入一個軟件的背板模型,來估計在眼圖上的影響。圖3示出在低頻數(shù)據(jù)有一些錯誤時，眼圖仿真的結果。在這個例子中，發(fā)現(xiàn)在較低的頻率（10 MHz）上，傳輸測試的一個0.5 dB誤差,能使一個眼睛85%張開的眼圖完全封閉。由于中頻段（10 GHz）的傳輸不確定性可能接近0.1dB，取決于設置和校準 - 在低頻頻率時，不確定度反而會更高- 眼圖失真效應不能忽視。

圖 4: 當?shù)皖l測試數(shù)據(jù)很好并下延到70 kHz時，眼圖仿真的結果

圖 5: 使用示波器測試眼圖的結果

圖4顯示的是當?shù)皖l測量數(shù)據(jù)的質量比較好，并且低頻向下延伸至70 kHz時眼圖的仿真結果，這個仿真結果與圖5中使用示波器測量的實際眼圖很一致。
本質上非過渡部分的眼圖是其低頻頻率的內在表現(xiàn)，計算低頻S參數(shù)靈敏度數(shù)據(jù)是有意義的。因為低頻率的插入損耗較小，一個大的固定dB的誤差（這是VNA的不確定性往往表現(xiàn)）是特別有害的.

優(yōu)化時域分辨率

矢量網(wǎng)絡分析儀的時域分析的關鍵性能是定位故障位置。在一般情況下，更寬的頻率掃描范圍，可以得到更好的時間分辨率和空間分辨率。圖6示出了時域分辨率在三個不同的頻率跨度下的差異：40，50，和70 GHz。當使用低通時域模式時,分辨率最大化。低通模式，還允許分析背板上特性阻抗的變化，需要一個準諧波相關的設置,對應盡可能的最低開始頻率。 一個 DC推算以提供相位參考，因此可以評估不連續(xù)的真正性質。因此，較低的低頻頻率掃描，可以更好的獲得直流外推項。

圖 6: 時域分辨率在三個不同的頻率跨度下的差異：40，50，和70 GHz

結論

更高的數(shù)據(jù)傳輸速率需要精確的測量, 給性能/成本決策提供信心。測量工具必須幫助縮短設計時間，并在大規(guī)模生產(chǎn)中確保穩(wěn)定的信號完整性。 VNA可以發(fā)揮關鍵作用，以幫助信號完整性工程師迎接增長的數(shù)據(jù)速率挑戰(zhàn)，作出適當?shù)某杀?性能折衷，實現(xiàn)仿真和測量之間的一致性，并去除夾具的影響。當選擇VNA時，要考慮一些特征，例如高頻和低頻的頻率范圍，時域的性能，以及先進的校準和去嵌入技術等。