述評(píng)SPARQ系列網(wǎng)絡(luò)分析儀之五：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。具體來說就是分析背板上一塊子板通過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法測量 – 其中之一是需要深入掌握如何測量信號(hào)的知識(shí)。他知道他必須使用某種方式將他的器件和測量儀器連接起來，-另外一個(gè)是測量儀器的成本。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?？杹碜杂谖⒉I(lǐng)域，過去是微波濾波器設(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。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。卡爾發(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)候能做一些基本測量，但要分辨測量結(jié)果是否良好卻很困難。的確沒有指使測量是夠良好的標(biāo)志也不容易區(qū)分S參數(shù)波形?？栂肫鹚还蛡蚯暗囊粋€(gè)故 事：他們?cè)噲D依靠VNA生成的數(shù)據(jù)去仿真但過了幾周他們發(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]有做真正的差分測量，但是后來他 發(fā)現(xiàn)他的問題僅僅是單端和混合模式的轉(zhuǎn)換。后來他使用了某個(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，卡爾做了一些測量結(jié)果產(chǎn)生了一些特定問題。他們花費(fèi)了17萬美金購買了一臺(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)端口的連接頭卻沒有承認(rèn)。誰知道呢，也許沒有人知道它 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有人仔細(xì)檢查過數(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)了這些問題，卡爾依然喜歡VNA。史蒂夫并沒有發(fā)現(xiàn)卡爾有困難去處理這些問題，但是他聽說VNA的確是測量的黃金配置。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買 的，史蒂夫不得不將他的單板寄到卡爾那里，并為測量等上一周。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 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。他們把問題歸咎于直流點(diǎn)。原 來，VNA銷售人員的確已經(jīng)提示過卡爾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)以避免直流測量問題，這些問題肯定會(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，卡爾被問到如何提高測量的吞吐率。他說他已經(jīng)以很快速度采集數(shù)據(jù)。他將被測器件與他的背板掛鉤起來，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)卡爾被問到花了多長時(shí)間去測量背板上的8條線路時(shí)，他說“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)，通過痛苦和有時(shí)候是不可靠的校準(zhǔn)過程以及連接線路。而且，之后還有大量工作去補(bǔ)償夾具對(duì)測量的負(fù)面影響，這一直是難以理解的過程。