利用VNA分析高速線上的串擾

差分電路可以有效地去除高頻、高速設計中的共模噪聲。差分器件和傳輸線不僅常被用于高速數(shù)字總線設計，而且也被用于包括手機在內(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)由一個型號為37397D的雙端口VNA系統(tǒng)、一個外部測試裝置以及多個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)一起使用時能發(fā)揮強大功能。適用于4、8和12端口應用的測試系統(tǒng)校準功能得到了PAF公司的一款靈活的校準和測量軟件的支持。這個功能強大的軟件可以幫助操作人員應對最困難的多端口測試，包括晶圓級測量。針對具有144個S 參數(shù)的復雜測量，這個12端口VNA系統(tǒng)和軟件支持一個精確的78項錯誤模型，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擾。雖然高速背板中設計的通道相互之間是獨立的，但它們經(jīng)常受到高速/ 高頻信號通道之間串擾的影響。對于USB3.0或第3代PCI Express等速度已經(jīng)超過10Gbps的數(shù)字通信標準來說，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)可被用來測量單個差分通道或器件，但更復雜的元器件需要更多數(shù)量的測量端口。事實上，對高速傳輸線進行單端測量可能產(chǎn)生性能降低的錯誤結(jié)果，因為這些傳輸線是針對差分信號來設計的。

對高速背板而言，相鄰差分通道間的串擾會降低其性能。在一對差分通道中，產(chǎn)生串擾的那個通道被稱為干擾通道(干擾線)，而耦合而受到串擾影響的相鄰通道被稱為被干擾通道(被干擾線)。為用VNA系統(tǒng)分析兩個差分通道的串擾，干擾線需要4個測試端口，被干擾線需要4個測試端口。當然，在多通道通信系統(tǒng)或多組差分線中，一對相鄰線實際上與周邊其它線并非隔離。因此，分析兩個相鄰干擾線在被干擾線上造成的串擾通常更有實際意義。因為每根線需要4個測試端口，所以共需要12個測試端口。

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，這種雙端口VNA系統(tǒng)通常采用一對采樣器，并且每個端口上都有一個雙向耦合器，以測量這些端口上的突發(fā)事件和反射信號。在第一種設計中，通過為每個額外測試端口增加一對采樣器和相關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)的復雜性和成本。在第二種方法中，為從雙端口系統(tǒng)為起點創(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矩陣的性能又很高要求，但與第一種方法相比復雜性較低，成本也更低。 Intel公司的研究表明，當采用正確的校準技術(shù)時，基于這種系統(tǒng)架構(gòu)的多采樣器測試系統(tǒng)具有相當高的精度。

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4端口測量引擎采用毫米波頻率的開關矩陣將信號從遠程端口模塊路由到4個測試端口，從而增加了測量端口的有效數(shù)量。由Anritsu公司設計生產(chǎn)的上述開關矩陣采用了低損耗的65GHz寬帶開關(圖2)。

開關元件的選擇包括電子機械開關和固態(tài)(PIN二極管)開關。電子機械開關具有帶寬高、插損低和隔離度高的優(yōu)點，但與固態(tài)開關相比，它們的運動部件導致元件的平均無故障時間(MTBF)較短，并且性能可重復性也較低。PIN二極管支持數(shù)百萬的開關次數(shù)，具有卓越的可靠性，但缺少機械開關突出的射頻/微波性能。為克服固態(tài)開關的電氣缺陷，特別是在毫米波頻率下?現(xiàn)的缺點，Anritsu開發(fā)出了一種創(chuàng)新設計，該設計充分整合了機械開關的電氣性能和固態(tài)開關經(jīng)過驗證的MTBF可靠性。整個開關矩陣具有大于95dB的隔離度，在60GHz時的插入損耗低于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。

采用開關矩陣多端口NVA架構(gòu)還能為校準提供全面的靈活性。12端口65GHz VNA系統(tǒng)包含一個型號為37000D的VNA、帶多個SM6272測試端口模塊的開關矩陣的測試裝置，以及校準與測量軟件。SM6272外部測試端口模塊(圖3)采用固態(tài)開關和高性能定向性耦合器，在65GHz頻率以下可以提供很高的精度和可重復性。它們的外形也非常緊湊，只有4.5x5.0x7.0英寸，因而非常便于靠近DUT擺放。這些模塊可以被增加到基本系統(tǒng)中，形成一個具有更多端口數(shù)量的測試解決方案(比如從4端口系統(tǒng)升級到8端口系統(tǒng))。

不管VNA系統(tǒng)是一個簡單的雙端口系統(tǒng)還是一個較復雜的12端口VNA，為獲得較高的測量精度，必須仔細選擇和謹慎執(zhí)行校準過程。校準的目的是去除或減掉測試夾具、電纜和用于從被測設備(DUT)收發(fā)信號的其它元件引起的電氣貢獻值。通過盡量縮短測試電纜的長度(就如Anritsu的12端口VNA系統(tǒng)一樣)并采用高性能測試元件，系統(tǒng)能獲得很好的原始定向性。一個有效的校準過程會使用明確規(guī)定的電氣標準來表征測試系統(tǒng)的性能，因此理想的DUT測量應該只是測試DUT的電氣性能，不包括測試系統(tǒng)、夾具、探針或其它測試附件。

一個有效的校準過程必須從測試夾具、探針以及將信號路由至DUT的其它硬件那里收集到足夠的數(shù)據(jù)，以確定內(nèi)部時延、失配、連接和開關損耗效應，并從DUT 測量結(jié)果中刨除這些效應。目前的VNA測試系統(tǒng)采用廣泛的校準過程，包括短路-開路-負載-直通(SOLT)和直通-反射-匹配(TRM)方法。校準技術(shù)的選擇通常是DUT類型及實際標準可用性的函數(shù)。每種校準方法都試圖從在DUT上取得的原始測量數(shù)據(jù)中去除錯誤項。隨著VNA系統(tǒng)端口數(shù)量的增加，錯誤項的數(shù)量也越來越多。

這些已制定的VNA校準方法是專為傳統(tǒng)的多采樣器/定向性耦合器VNA架構(gòu)而開發(fā)，不適合采用開關矩陣的多端口VNA測試系統(tǒng)(如Anritsu的12端口65GHz系統(tǒng))。因此，Anritsu與PAF公司共同為12端口系統(tǒng)開發(fā)了實用的測量與校準軟件。PAF是一家以開發(fā)多端口VNA校準算法而著名的公司，致力于為20GHz以下的多端口VNA測量與校準提供商用化軟件產(chǎn)品。Anritsu要求這種工具精確地擴展到65GHz。

該軟件縮短了校準和測試時間，并提供很大的靈活性，因為12端口VNA測量系統(tǒng)可被用于帶夾具裝置的同軸測量和晶圓級測量。系統(tǒng)的分離型硬件架構(gòu)，以及可以靠近DUT測試夾具放置或直接擺放在晶圓探針臺上的端口模塊，都需要一定程度的校準靈活性以支持多種測試應用。這種靈活性對12端口晶圓測試應用來說尤其關鍵，因為其可用的連接和校準標準數(shù)量非常有限。

為Anritsu的12端口65GHz VNA開發(fā)的校準過程能根據(jù)連接的最小數(shù)量動態(tài)計算標準連接順序，并同時提供最高可能達到的精度。PAF公司提供的MMS-NT校準和測試軟件(圖4)支持許多校準過程，包括SOLT、TRL、線路-反射-匹配(LRM)、線路-反射線(LRL)、短路-開路-負載-互易直通(SOLR)、快速 SOLT(QSOLT)甚至半泄漏校準。

根據(jù)新系統(tǒng)的測試端口數(shù)量以及校準中的可能連接數(shù)量，盡量縮短校準和測試時間對新的校準軟件來說非常重要。MMS-NT軟件允許在兩個相對的端口之間，用單個12項校準完成12端口VNA系統(tǒng)的校準，對TRL校準而言這要用到6條連接。然后，在每個原始端口和對面的5個端口之間全面測量5次，這樣做僅增加 11條連接。這個過程很容易在半自動晶圓上系統(tǒng)中實現(xiàn)。即使在同軸測試環(huán)境中，17條連接校準仍可以在不到20分鐘的時間內(nèi)完成。

實質(zhì)上，MMS-NT校準軟件適合獨特的測試端口配置，能以最少的連接提供最高的精度。MMS-NT軟件還能提供豐富的測量與顯示功能，支持12端口差分參數(shù)、時域反射儀(TDR)測量、眼圖顯示，可以將數(shù)據(jù)導出到Excel電子表格生成報表，或轉(zhuǎn)換成Touchstone文件格式供軟件仿真工具使用。

校準軟件包含可以自動計算和管理多端口測量系統(tǒng)的誤差系數(shù)的內(nèi)部算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一旦定義好多端口連接方式，軟件就能為所有已定義的端口的校準確定最優(yōu)最有效的連接方案。該軟件能自動定義系統(tǒng)端口和連接器結(jié)構(gòu)、描述正確的校準標準集、優(yōu)化校準標準連接的序列、減少所需連接的數(shù)量、計算誤差系數(shù)并修正測量數(shù)據(jù)。

這個12端口VNA系統(tǒng)采用緊湊的SM6272測試端口模塊，由于能將測試端口盡可能靠近DUT放置，所以非常適合進行晶圓級測試。開關和所有射頻信號路由表都位于每個模塊內(nèi)和測試端口定向性耦合器的后面，具有最小的插入損耗和最優(yōu)的測量穩(wěn)定性。每個測試端口模塊包含兩個帶堅固的公頭V型連接器的測試端口。MMS-NT軟件可以將測量連接方式自動轉(zhuǎn)換成包括外部測試夾具補償在內(nèi)的最佳多端口校準方案。