利用VNA分析高速線上的串?dāng)_

差分電路可以有效地去除高頻、高速設(shè)計(jì)中的共模噪聲。差分器件和傳輸線不僅常被用于高速數(shù)字總線設(shè)計(jì)，而且也被用于包括手機(jī)在內(nèi)的許多射頻和微波產(chǎn)品中。與測試傳統(tǒng)的單端器件相比，測試差分器件和傳輸線需要更多的測試端口。Anritsu(安立)公司的12端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)能夠?qū)ぷ髟?40~65GHz頻率范圍內(nèi)的單端信號、混合模式和差分器件進(jìn)行散射參數(shù)(S參數(shù))測試，非常適合高速器件和系統(tǒng)的信號完整性(SI)測量。

Anritsu的12端口65GHz系統(tǒng)由一個(gè)型號為37397D的雙端口VNA系統(tǒng)、一個(gè)外部測試裝置以及多個(gè)安置方便的端口模塊組成。這種移動測試端口可以緊靠任何形狀的被測設(shè)備(DUT)放置，從而使得該測量系統(tǒng)與晶圓探測系統(tǒng)一起使用時(shí)能發(fā)揮強(qiáng)大功能。適用于4、8和12端口應(yīng)用的測試系統(tǒng)校準(zhǔn)功能得到了PAF公司的一款靈活的校準(zhǔn)和測量軟件的支持。這個(gè)功能強(qiáng)大的軟件可以幫助操作人員應(yīng)對最困難的多端口測試，包括晶圓級測量。針對具有144個(gè)S 參數(shù)的復(fù)雜測量，這個(gè)12端口VNA系統(tǒng)和軟件支持一個(gè)精確的78項(xiàng)錯(cuò)誤模型，帶有至少有17條連接。

VNA傳統(tǒng)上常被用來對單端50Ω元器件進(jìn)行S參數(shù)測量，但隨著數(shù)字通信系統(tǒng)和總線速度、頻率的提高，多端口混合模式S參數(shù)已經(jīng)成為分析高速數(shù)字信號線、總線和器件信號完整性(SI)的有效工具。例如，VNA可以直接測量高速通道上的串?dāng)_。雖然高速背板中設(shè)計(jì)的通道相互之間是獨(dú)立的，但它們經(jīng)常受到高速/ 高頻信號通道之間串?dāng)_的影響。對于USB3.0或第3代PCI Express等速度已經(jīng)超過10Gbps的數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)來說，12端口65GHz VNA測試系統(tǒng)可以在全速狀態(tài)下提供有意義的信號完整性測量，能為多通道同時(shí)測量提供必需的測量端口。

除了高速背板，越來越多的無線元器件和設(shè)備也采用差分(平衡的)架構(gòu)來減少電磁干擾(EMI)的影響。雖然4端口VNA系統(tǒng)可被用來測量單個(gè)差分通道或器件，但更復(fù)雜的元器件需要更多數(shù)量的測量端口。事實(shí)上，對高速傳輸線進(jìn)行單端測量可能產(chǎn)生性能降低的錯(cuò)誤結(jié)果，因?yàn)檫@些傳輸線是針對差分信號來設(shè)計(jì)的。

對高速背板而言，相鄰差分通道間的串?dāng)_會降低其性能。在一對差分通道中，產(chǎn)生串?dāng)_的那個(gè)通道被稱為干擾通道(干擾線)，而耦合而受到串?dāng)_影響的相鄰?fù)ǖ辣环Q為被干擾通道(被干擾線)。為用VNA系統(tǒng)分析兩個(gè)差分通道的串?dāng)_，干擾線需要4個(gè)測試端口，被干擾線需要4個(gè)測試端口。當(dāng)然，在多通道通信系統(tǒng)或多組差分線中，一對相鄰線實(shí)際上與周邊其它線并非隔離。因此，分析兩個(gè)相鄰干擾線在被干擾線上造成的串?dāng)_通常更有實(shí)際意義。因?yàn)槊扛€需要4個(gè)測試端口，所以共需要12個(gè)測試端口。

構(gòu)建12端口VNA系統(tǒng)有好幾種架構(gòu)可供選擇。下面介紹的兩種架構(gòu)都以基本的雙端口VNA系統(tǒng)為基礎(chǔ)，這種雙端口VNA系統(tǒng)通常采用一對采樣器，并且每個(gè)端口上都有一個(gè)雙向耦合器，以測量這些端口上的突發(fā)事件和反射信號。在第一種設(shè)計(jì)中，通過為每個(gè)額外測試端口增加一對采樣器和相關(guān)的高頻硬件來增加端口數(shù)量。這種方法雖然比較簡捷，但會大大增加測試系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。在第二種方法中，為從雙端口系統(tǒng)為起點(diǎn)創(chuàng)建具有更多端口的VNA系統(tǒng)，需要在雙端口 VNA中增加開關(guān)矩陣，以便將信號路由到原始的測試端口。雖然這種方法對開關(guān)矩陣的性能又很高要求，但與第一種方法相比復(fù)雜性較低，成本也更低。 Intel公司的研究表明，當(dāng)采用正確的校準(zhǔn)技術(shù)時(shí)，基于這種系統(tǒng)架構(gòu)的多采樣器測試系統(tǒng)具有相當(dāng)高的精度。

圖1：12端口VNA系統(tǒng)能對40~65GHz頻率范圍內(nèi)的混合模式和差分器件進(jìn)行S參數(shù)測量。

Anritsu(安立)公司的12端口65GHz系統(tǒng)(圖1)基于4端口測量引擎，這個(gè)4端口測量引擎采用毫米波頻率的開關(guān)矩陣將信號從遠(yuǎn)程端口模塊路由到4個(gè)測試端口，從而增加了測量端口的有效數(shù)量。由Anritsu公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的上述開關(guān)矩陣采用了低損耗的65GHz寬帶開關(guān)(圖2)。

開關(guān)元件的選擇包括電子機(jī)械開關(guān)和固態(tài)(PIN二極管)開關(guān)。電子機(jī)械開關(guān)具有帶寬高、插損低和隔離度高的優(yōu)點(diǎn)，但與固態(tài)開關(guān)相比，它們的運(yùn)動部件導(dǎo)致元件的平均無故障時(shí)間(MTBF)較短，并且性能可重復(fù)性也較低。PIN二極管支持?jǐn)?shù)百萬的開關(guān)次數(shù)，具有卓越的可靠性，但缺少機(jī)械開關(guān)突出的射頻/微波性能。為克服固態(tài)開關(guān)的電氣缺陷，特別是在毫米波頻率下?現(xiàn)的缺點(diǎn)，Anritsu開發(fā)出了一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)充分整合了機(jī)械開關(guān)的電氣性能和固態(tài)開關(guān)經(jīng)過驗(yàn)證的MTBF可靠性。整個(gè)開關(guān)矩陣具有大于95dB的隔離度，在60GHz時(shí)的插入損耗低于6dB。在移動測試端口內(nèi)靠近DUT放置高性能耦合器有助于優(yōu)化原始的定向性。