SPARQ系列述評(píng)之四—— VNA用戶的真實(shí)故事

 史蒂夫是設(shè)計(jì)背板的信號(hào)完整性工程師。他的工作是設(shè)計(jì)背板上承載特定速度信號(hào)的印制電路板。具體來(lái)說(shuō)就是分析背板上一塊子板通過(guò)連接器到靠近另外一塊子板的連接器的特定通路信號(hào)的完整性。

    他將微波理論的知識(shí)應(yīng)用到單板設(shè)計(jì)上，這意味著他非常了解他設(shè)計(jì)的印制電路板上大部分線路的電磁特性。從設(shè)計(jì)的角度，這意味著什么？這意味著PCB板是多 層板-意味著材料（電介質(zhì)），意味著板材厚度（銅）。然后他使用傳輸線仿真器去預(yù)測(cè)他的板子將發(fā)生什么（燒毀的微帶線全貌）。他使用這個(gè)工具去仿真他單板 的阻抗和損耗特性（電磁等效電路的全貌）。然后他輸入所有數(shù)據(jù)到單板仿真器并且仿真頻域特性，典型的就是S參數(shù)。然后，如果他有很多預(yù)算并且需要把錢花在 關(guān)鍵路徑上，他EM仿真 – 這意味這他將執(zhí)行單板上路徑的有限元分析。

     有時(shí)候這些仿真能正常工作，有時(shí)候不行。他非常想把這些仿真當(dāng)成真實(shí)的電路情況加以采用，因?yàn)樗肋M(jìn)行實(shí)際測(cè)量性能的難度和成本。在很多情況下，他設(shè) 計(jì)、仿真和試驗(yàn)去看工作是否正常。有兩個(gè)主要的原因使得他無(wú)法測(cè)量 – 其中之一是需要深入掌握如何測(cè)量信號(hào)的知識(shí)。他知道他必須使用某種方式將他的器件和測(cè)量?jī)x器連接起來(lái)，-另外一個(gè)是測(cè)量?jī)x器的成本。如果設(shè)備僅有兩個(gè)端 口，那將是一件事，而如果20 GHz是足夠的，那將是另外一件事，但是四端口的成本和復(fù)雜性到更高頻率包括校準(zhǔn)的復(fù)雜性是會(huì)讓人很容易氣餒的。最近，他們打算忍辱負(fù)重去買一臺(tái)矢量網(wǎng)絡(luò) 分析儀。史蒂夫不會(huì)使用VNA，所以他們新招了一名員工卡爾?？杹?lái)自于微波領(lǐng)域，過(guò)去是微波濾波器設(shè)計(jì)人員，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)信號(hào)完整性工程師是一份更好的工 作。這是因?yàn)樾盘?hào)完整性是個(gè)新興增長(zhǎng)領(lǐng)域并且他們也顯示了對(duì)他的高度尊重。然而大部分他知道的微波專業(yè)知識(shí)在信號(hào)完整性領(lǐng)域卻派不上用場(chǎng)。信號(hào)完整性工程 師很自豪他們自己掌握了微波知識(shí)，因此將微波領(lǐng)域工程師貶低到很低的位置?？柊l(fā)現(xiàn)他部門的其他信號(hào)完整性工程師并不具備他在VNA使用方面的技巧。他們 的確有些時(shí)候能做一些基本測(cè)量，但要分辨測(cè)量結(jié)果是否良好卻很困難。的確沒(méi)有指使測(cè)量是夠良好的標(biāo)志也不容易區(qū)分S參數(shù)波形。卡爾想起他被雇傭前的一個(gè)故 事：他們?cè)噲D依靠VNA生成的數(shù)據(jù)去仿真但過(guò)了幾周他們發(fā)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)是非常差的?？柋仨殞W(xué)習(xí)的一件事是混合模式S參數(shù)的概念。當(dāng)卡爾，作為一名微波濾波 器設(shè)計(jì)者，過(guò)去習(xí)慣使用兩端口VNA，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)差分信號(hào)對(duì)于他而言是陌生的。有一次他做了測(cè)量結(jié)果很明顯看上去是錯(cuò)誤的，直到他發(fā)現(xiàn)看到的是單端S參數(shù)， 而非差分模式S參數(shù)。他以為兩者是相同的，但是因?yàn)椴罘中盘?hào)對(duì)看上去是非常不同的。一家公司的銷售人員告訴他這是因?yàn)樗麤](méi)有做真正的差分測(cè)量，但是后來(lái)他 發(fā)現(xiàn)他的問(wèn)題僅僅是單端和混合模式的轉(zhuǎn)換。后來(lái)他使用了某個(gè)軟件去做這種轉(zhuǎn)換，但是他必須非常小心在轉(zhuǎn)換時(shí)不要犯一點(diǎn)小錯(cuò)誤，如果犯了結(jié)果將是非常糟糕 的。

 去年，卡爾做了一些測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生了一些特定問(wèn)題。他們花費(fèi)了17萬(wàn)美金購(gòu)買了一臺(tái)全新的VNA，這臺(tái)VNA保存在用門禁卡才能進(jìn)去的實(shí)驗(yàn)室溫度控制區(qū)。他 可以進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，但是其他一些工程師卻禁止入內(nèi)并不是因?yàn)閂NA如此昂貴，而是因?yàn)橛腥伺獕牧似渲幸粋€(gè)端口的連接頭卻沒(méi)有承認(rèn)。誰(shuí)知道呢，也許沒(méi)有人知道它 是否真壞了。賠本底線是他們間歇性得到出錯(cuò)的數(shù)據(jù)。問(wèn)題被這樣一個(gè)事實(shí)放大：他們必須將背板移動(dòng)到實(shí)驗(yàn)室其他地方然后產(chǎn)生一堆數(shù)據(jù)然后再挪動(dòng)到其他區(qū)域。 其中涉及到的困難主要是沒(méi)有人仔細(xì)檢查過(guò)數(shù)據(jù)并且數(shù)據(jù)已經(jīng)被email到其他人那里。僅僅在一周后錯(cuò)誤被發(fā)現(xiàn)當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在仿真器中不能正常工作，這時(shí) 連接器問(wèn)題才被發(fā)現(xiàn)。如果之前有某種方式去檢查數(shù)據(jù)的有效性就好了。

 盡管VNA出現(xiàn)了這些問(wèn)題，卡爾依然喜歡VNA。史蒂夫并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)卡爾有困難去處理這些問(wèn)題，但是他聽(tīng)說(shuō)VNA的確是測(cè)量的黃金配置。畢竟這是他們公司最 精確的儀器，也有非常高的動(dòng)態(tài)范圍，這對(duì)卡爾而言非常重要。今天，史蒂夫收到卡爾的VNA測(cè)量結(jié)果。非常不幸，這臺(tái)VNA是由公司位于加州的分公司購(gòu)買 的，史蒂夫不得不將他的單板寄到卡爾那里，并為測(cè)量等上一周。當(dāng)史蒂夫?qū)?shù)據(jù)輸入時(shí)域仿真器時(shí)，他卻發(fā)現(xiàn)他不能看到時(shí)域性能。這時(shí)因?yàn)榉抡嫫鲌?bào)告了一些無(wú) 源沖突。它依然可以生成一個(gè)結(jié)果，但他非常懷疑結(jié)果的可靠性。時(shí)域結(jié)果看上去并不好，而且他發(fā)現(xiàn)計(jì)算的點(diǎn)數(shù)是1600個(gè)而他之前要求的2000個(gè)。而且之 前他要求的是查看混合模式數(shù)據(jù)，但單端數(shù)據(jù)用以仿真。困惑之余，他發(fā)現(xiàn)即使是新采集的數(shù)據(jù)也不能產(chǎn)生正確的時(shí)域性能。他們把問(wèn)題歸咎于直流點(diǎn)。原 來(lái)，VNA銷售人員的確已經(jīng)提示過(guò)卡爾VNA性能隨著頻率變化而變化，要盡可能在低頻采集數(shù)據(jù)以避免直流測(cè)量問(wèn)題，這些問(wèn)題肯定會(huì)影響時(shí)域精度。兩個(gè)博士 工程師花了兩個(gè)小時(shí)去標(biāo)注S參數(shù)數(shù)據(jù)以最終完成時(shí)域仿真工作。

 有一次，卡爾被問(wèn)到如何提高測(cè)量的吞吐率。他說(shuō)他已經(jīng)以很快速度采集數(shù)據(jù)。他將被測(cè)器件與他的背板掛鉤起來(lái)，并演示了VNA掃頻和產(chǎn)生S參數(shù)的速度是多么 之快。他從保存的目錄中回調(diào)了校準(zhǔn)文件然后很快取得數(shù)據(jù)。取得S參數(shù)數(shù)據(jù)僅需幾分鐘時(shí)間。按照卡爾的觀點(diǎn)VNA是非常容易使用的。

 但是當(dāng)卡爾被問(wèn)到花了多長(zhǎng)時(shí)間去測(cè)量背板上的8條線路時(shí)，他說(shuō)“整個(gè)下午”。很顯然有一些時(shí)間是卡爾遺漏的。他意識(shí)到他的大部分時(shí)間都花在將背板送進(jìn) VNA所在的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過(guò)痛苦和有時(shí)候是不可靠的校準(zhǔn)過(guò)程以及連接線路。而且，之后還有大量工作去補(bǔ)償夾具對(duì)測(cè)量的負(fù)面影響，這一直是難以理解的過(guò)程。