使用寬頻率范圍矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀應(yīng)對高速互聯(lián)測試的挑戰(zhàn)

 云計算，智能手機和LTE服務(wù)使網(wǎng)絡(luò)流量顯著的增加。為了支持這些增加的流量，IT設(shè)備- 如那些用于數(shù)據(jù)中心的高端服務(wù)器 –的速度必須增加，這對信號完整性測試的工程師提出了挑戰(zhàn)，因此需要更先進(jìn)的測試儀器，例如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA),如下圖1中所示。

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(quán)衡

更高的數(shù)據(jù)傳輸速率引入新的設(shè)計挑戰(zhàn)(如印刷電路板的導(dǎo)體趨膚效應(yīng)和介電損耗)，以及設(shè)計權(quán)衡相關(guān)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(jié)構(gòu)的影響，需要在頻域和時域進(jìn)行精確的測量。精確的測量為成本/性能權(quán)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)。用最好的分辨率，來提高對不連續(xù)性，阻抗的變化，和串?dāng)_等問題的定位能力。此外，今天的許多結(jié)構(gòu)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(zhǔn)確的模型有助于加快設(shè)計周期。然而，模型好壞僅取決于模型加載的參數(shù)，不準(zhǔn)確的參數(shù)會最終導(dǎo)致仿真結(jié)果的不準(zhǔn)確，潛在的銜接問題和不精確。反之，低頻測試信息不準(zhǔn)確導(dǎo)致的直流外推誤差，也降低了模型的準(zhǔn)確性，并與3維電磁仿真結(jié)果不一致。

在很多情況下可能無法直接連接到被測設(shè)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(dāng)周圍環(huán)繞其他網(wǎng)絡(luò)時，使用嵌入功能來評估器件的性能。然而，許多消極和本質(zhì)的問題是由于不良的校準(zhǔn)和去嵌入方法。此外，高的夾具損耗可能會影響去嵌入的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。幸運的是，面對這些挑戰(zhàn)，最新的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀技術(shù)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(zhì)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(jìn)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(dāng)S-參數(shù)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成時域用于進(jìn)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(shè)備實際特性的曲解相關(guān)。要使仿真更安全，更準(zhǔn)確，使用盡可能寬的頻率范圍– 直到最高頻點的重復(fù)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(jié)果。由于在更高層次的仿真中，正在研究更快和更復(fù)雜的瞬態(tài)響應(yīng)，所以更寬頻率范圍數(shù)據(jù)的需求變得更強烈。

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

低頻端的頻率掃描范圍同樣重要。當(dāng)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(jié)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(shè)置和校準(zhǔn) - 在低頻頻率時，不確定度反而會更高- 眼圖失真效應(yīng)不能忽視。

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

圖 5: 使用示波器測試眼圖的結(jié)果

圖4顯示的是當(dāng)?shù)皖l測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量比較好，并且低頻向下延伸至70 kHz時眼圖的仿真結(jié)果，這個仿真結(jié)果與圖5中使用示波器測量的實際眼圖很一致。

本質(zhì)上非過渡部分的眼圖是其低頻頻率的內(nèi)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(luò)分析儀的時域分析的關(guān)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(dāng)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(zhǔn)諧波相關(guān)的設(shè)置,對應(yīng)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(zhì)。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(jié)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(shè)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(guān)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(dāng)?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(dāng)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(jìn)的校準(zhǔn)和去嵌入技術(shù)等。