利用VNA分析高速线上的串扰 - 全文

　　Anritsu(安立)公司的12端口矢量网络分析仪(VNA)能够对工作在40~65GHz频率范围内的单端信号、混合模式和差分器件进行散射参数(S参数)测试，非常适合高速器件和系统的信号完整性(SI)测量。

　　Anritsu的12端口65GHz系统由一个型号为37397D的双端口VNA系统、一个外部测试装置以及多个安置方便的端口模块组成。这种移动测试端口可以紧靠任何形状的被测设备(DUT)放置，从而使得该测量系统与晶圆探测系统一起使用时能发挥强大功能。适用于4、8和12端口应用的测试系统校准功能得到了PAF公司的一款灵活的校准和测量软件的支持。这个功能强大的软件可以帮助操作人员应对最困难的多端口测试，包括晶圆级测量。针对具有144个S参数的复杂测量，这个12端口VNA系统和软件支持一个精确的78项错误模型，带有至少有17条连接。

　　VNA传统上常被用来对单端50Ω元器件进行S参数测量，但随着数字通信系统和总线速度、频率的提高，多端口混合模式S参数已经成为分析高速数字信号线、总线和器件信号完整性(SI)的有效工具。例如，VNA可以直接测量高速通道上的串扰。虽然高速背板中设计的通道相互之间是独立的，但它们经常受到高速/高频信号通道之间串扰的影响。对于USB3.0或第3代PCI Express等速度已经超过10Gbps的数字通信标准来说，12端口65GHz VNA测试系统可以在全速状态下提供有意义的信号完整性测量，能为多通道同时测量提供必需的测量端口。

　　除了高速背板，越来越多的无线元器件和设备也采用差分(平衡的)架构来减少电磁干扰(EMI)的影响。虽然4端口VNA系统可被用来测量单个差分通道或器件，但更复杂的元器件需要更多数量的测量端口。事实上，对高速传输线进行单端测量可能产生性能降低的错误结果，因为这些传输线是针对差分信号来设计的。

　　对高速背板而言，相邻差分通道间的串扰会降低其性能。在一对差分通道中，产生串扰的那个通道被称为干扰通道(干扰线)，而耦合而受到串扰影响的相邻通道被称为被干扰通道(被干扰线)。为用VNA系统分析两个差分通道的串扰，干扰线需要4个测试端口，被干扰线需要4个测试端口。当然，在多通道通信系统或多组差分线中，一对相邻线实际上与周边其它线并非隔离。因此，分析两个相邻干扰线在被干扰线上造成的串扰通常更有实际意义。因为每根线需要4个测试端口，所以共需要12个测试端口。

　　构建12端口VNA系统有好几种架构可供选择。下面介绍的两种架构都以基本的双端口VNA系统为基础，这种双端口VNA系统通常采用一对采样器，并且每个端口上都有一个双向耦合器，以测量这些端口上的突发事件和反射信号。在第一种设计中，通过为每个额外测试端口增加一对采样器和相关的高频硬件来增加端口数量。这种方法虽然比较简捷，但会大大增加测试系统的复杂性和成本。在第二种方法中，为从双端口系统为起点创建具有更多端口的VNA系统，需要在双端口VNA中增加开关矩阵，以便将信号路由到原始的测试端口。虽然这种方法对开关矩阵的性能又很高要求，但与第一种方法相比复杂性较低，成本也更低。Intel公司的研究表明，当采用正确的校准技术时，基于这种系统架构的多采样器测试系统具有相当高的精度。

　　

 

　　图1：12端口VNA系统能对40~65GHz频率范围内的混合模式和差分器件进行S参数测量。

　　Anritsu(安立)公司的12端口65GHz系统(图1)基于4端口测量引擎，这个4端口测量引擎采用毫米波频率的开关矩阵将信号从远程端口模块路由到4个测试端口，从而增加了测量端口的有效数量。由Anritsu公司设计生产的上述开关矩阵采用了低损耗的65GHz宽带开关(图2)。

　　

 

　　开关元件的选择包括电子机械开关和固态(PIN二极管)开关。电子机械开关具有带宽高、插损低和隔离度高的优点，但与固态开关相比，它们的运动部件导致元件的平均无故障时间(MTBF)较短，并且性能可重复性也较低。PIN二极管支持数百万的开关次数，具有卓越的可靠性，但缺少机械开关突出的射频/微波性能。为克服固态开关的电气缺陷，特别是在毫米波频率下?现的缺点，Anritsu开发出了一种创新设计，该设计充分整合了机械开关的电气性能和固态开关经过验证的MTBF可靠性。整个开关矩阵具有大于95dB的隔离度，在60GHz时的插入损耗低于6dB。在移动测试端口内靠近DUT放置高性能耦合器有助于优化原始的定向性。

　　采用开关矩阵多端口NVA架构还能为校准提供全面的灵活性。12端口65GHz VNA系统包含一个型号为37000D的VNA、带多个SM6272测试端口模块的开关矩阵的测试装置，以及校准与测量软件。SM6272外部测试端口模块(图3)采用固态开关和高性能定向性耦合器，在65GHz频率以下可以提供很高的精度和可重复性。它们的外形也非常紧凑，只有4.5x5.0x7.0英寸，因而非常便于靠近DUT摆放。这些模块可以被增加到基本系统中，形成一个具有更多端口数量的测试解决方案(比如从4端口系统升级到8端口系统)。

　　

 

　　不管VNA系统是一个简单的双端口系统还是一个较复杂的12端口VNA，为获得较高的测量精度，必须仔细选择和谨慎执行校准过程。校准的目的是去除或减掉测试夹具、电缆和用于从被测设备(DUT)收发信号的其它元件引起的电气贡献值。通过尽量缩短测试电缆的长度(就如Anritsu的12端口VNA系统一样)并采用高性能测试元件，系统能获得很好的原始定向性。一个有效的校准过程会使用明确规定的电气标准来表征测试系统的性能，因此理想的DUT测量应该只是测试DUT的电气性能，不包括测试系统、夹具、探针或其它测试附件。

　　一个有效的校准过程必须从测试夹具、探针以及将信号路由至DUT的其它硬件那里收集到足够的数据，以确定内部时延、失配、连接和开关损耗效应，并从DUT测量结果中刨除这些效应。目前的VNA测试系统采用广泛的校准过程，包括短路-开路-负载-直通(SOLT)和直通-反射-匹配(TRM)方法。校准技术的选择通常是DUT类型及实际标准可用性的函数。每种校准方法都试图从在DUT上取得的原始测量数据中去除错误项。随着VNA系统端口数量的增加，错误项的数量也越来越多。

　　

 

　　这些已制定的VNA校准方法是专为传统的多采样器/定向性耦合器VNA架构而开发，不适合采用开关矩阵的多端口VNA测试系统(如Anritsu的12端口65GHz系统)。因此，Anritsu与PAF公司共同为12端口系统开发了实用的测量与校准软件。PAF是一家以开发多端口VNA校准算法而著名的公司，致力于为20GHz以下的多端口VNA测量与校准提供商用化软件产品。Anritsu要求这种工具精确地扩展到65GHz。

　　该软件缩短了校准和测试时间，并提供很大的灵活性，因为12端口VNA测量系统可被用于带夹具装置的同轴测量和晶圆级测量。系统的分离型硬件架构，以及可以靠近DUT测试夹具放置或直接摆放在晶圆探针台上的端口模块，都需要一定程度的校准灵活性以支持多种测试应用。这种灵活性对12端口晶圆测试应用来说尤其关键，因为其可用的连接和校准标准数量非常有限。

　　为Anritsu的12端口65GHz VNA开发的校准过程能根据连接的最小数量动态计算标准连接顺序，并同时提供最高可能达到的精度。PAF公司提供的MMS-NT校准和测试软件(图4)支持许多校准过程，包括SOLT、TRL、线路-反射-匹配(LRM)、线路-反射线(LRL)、短路-开路-负载-互易直通(SOLR)、快速SOLT(QSOLT)甚至半泄漏校准。

　　根据新系统的测试端口数量以及校准中的可能连接数量，尽量缩短校准和测试时间对新的校准软件来说非常重要。MMS-NT软件允许在两个相对的端口之间，用单个12项校准完成12端口VNA系统的校准，对TRL校准而言这要用到6条连接。然后，在每个原始端口和对面的5个端口之间全面测量5次，这样做仅增加11条连接。这个过程很容易在半自动晶圆上系统中实现。即使在同轴测试环境中，17条连接校准仍可以在不到20分钟的时间内完成。

　　实质上，MMS-NT校准软件适合独特的测试端口配置，能以最少的连接提供最高的精度。MMS-NT软件还能提供丰富的测量与显示功能，支持12端口差分参数、时域反射仪(TDR)测量、眼图显示，可以将数据导出到Excel电子表格生成报表，或转换成Touchstone文件格式供软件仿真工具使用。

　　校准软件包含可以自动计算和管理多端口测量系统的误差系数的内部算法和数据结构。一旦定义好多端口连接方式，软件就能为所有已定义的端口的校准确定最优最有效的连接方案。该软件能自动定义系统端口和连接器结构、描述正确的校准标准集、优化校准标准连接的序列、减少所需连接的数量、计算误差系数并修正测量数据。

　　这个12端口VNA系统采用紧凑的SM6272测试端口模块，由于能将测试端口尽可能靠近DUT放置，所以非常适合进行晶圆级测试。开关和所有射频信号路由表都位于每个模块内和测试端口定向性耦合器的后面，具有最小的插入损耗和最优的测量稳定性。每个测试端口模块包含两个带坚固的公头V型连接器的测试端口。MMS-NT软件可以将测量连接方式自动转换成包括外部测试夹具补偿在内的最佳多端口校准方案。