2/10/2023，光纖在線訊，為了傳輸更復(fù)雜的射頻信號(hào)，印制電路板（PCB）正變得越來(lái)越密集。盡管阻抗測(cè)量一直很重要，但隨著新設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，阻抗測(cè)量變得更加重要。為了確保信號(hào)正確地通過(guò)電路板，配備有時(shí)域分析（包括基本和高級(jí)窗口和門(mén)控功能）的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）可以更準(zhǔn)確和高重復(fù)性的阻抗測(cè)量。

     在進(jìn)行PCB測(cè)量時(shí)，時(shí)域測(cè)量很有價(jià)值，因?yàn)樗峁┝嗽陬l域測(cè)量中缺失的被測(cè)器件（DUT）的特征描述。VNA為時(shí)域測(cè)量提供了幾個(gè)好處，包括：

• 準(zhǔn)確測(cè)量插入和回波損耗的頻率響應(yīng)
• 多種校準(zhǔn)方法，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性
• 嵌入和去嵌入

     與時(shí)域反射測(cè)量設(shè)備相比，具有寬帶寬的VNA，如VectorStar™ ME7838系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以提供更高的時(shí)域分辨率。這對(duì)于高頻設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。VNA的頻率覆蓋范圍越寬，時(shí)域分辨率越高，進(jìn)而更容易發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的缺陷和其他異常情況。

頻域與時(shí)域的轉(zhuǎn)換

     使用VNA進(jìn)行阻抗測(cè)量的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是利用離散傅里葉逆變換(IDFT)將頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到時(shí)域，進(jìn)而得到時(shí)域結(jié)果。當(dāng)使用IDFT轉(zhuǎn)換到時(shí)域時(shí)，VNA變成了一個(gè)周期函數(shù)，抵消了儀器固有的頻帶限制。圖1顯示了使用VNA內(nèi)置的IDFT在時(shí)域內(nèi)的周期性脈沖響應(yīng)。兩條垂直標(biāo)記線顯示的是-25毫秒到+25毫秒的區(qū)間范圍。


圖1.具有IDFT的VNA的時(shí)域周期脈沖響應(yīng)

     信號(hào)完整性工程師在使用VNA時(shí)可以選擇兩種類(lèi)型的時(shí)域:

    低通時(shí)域– VNA可以通過(guò)這個(gè)選項(xiàng)用階躍激勵(lì)模擬TDR。還可以用脈沖激勵(lì)，因此工程師可以在時(shí)域中查看脈沖響應(yīng)。頻率必須是諧波相關(guān)的，即起始頻率必須等于步長(zhǎng)。直流項(xiàng)是從最低頻率值推斷出來(lái)的。另外，當(dāng)使用低通時(shí)域時(shí)，頻率樣本會(huì)從負(fù)頻率翻倍到正頻率以滿足IDFT的要求。

     帶通時(shí)域 – 針對(duì)傳輸線故障定位，建議采用帶通時(shí)域，起始和終止頻率可以任意設(shè)置。與低通時(shí)域模式相比，這種方法不需要考慮DC項(xiàng)，但是分辨率較低。在IDFT之后，脈沖響應(yīng)也不再是真實(shí)函數(shù)了。

     圖2顯示了選擇不同時(shí)域類(lèi)型時(shí)，測(cè)量結(jié)果的變化。決定選用的測(cè)試類(lèi)型取決于與設(shè)計(jì)相關(guān)的測(cè)試需求。


圖2.低通和帶通時(shí)域測(cè)量實(shí)例

傳輸線的反射系數(shù)

     在傳輸線的終端處觀察到的阻抗對(duì)終端具有更復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性。因此，應(yīng)測(cè)量“源”端處的阻抗與“負(fù)載”阻抗之間的關(guān)系，這被稱為傳輸線的反射系數(shù)。

     VNA是測(cè)量多段傳輸線反射系數(shù)的理想儀器。它可以在低通時(shí)域下以階躍響應(yīng)的形式測(cè)量阻抗不連續(xù)處的反射系數(shù)，或在低通時(shí)域或帶通時(shí)域下，以脈沖響應(yīng)的形式顯示不連續(xù)點(diǎn)的真實(shí)結(jié)果。

     圖3是測(cè)試三段不同阻抗的傳輸線的示例，以及用于計(jì)算每個(gè)不連續(xù)界面處反射系數(shù)的方程式。VNA測(cè)量值與理論計(jì)算結(jié)果吻合良好。在空氣線的測(cè)量示例中，第一反射系數(shù)的測(cè)量值為-0.331，理論計(jì)算值為-0.333，第二不連續(xù)處的第二反射系數(shù)為.288，計(jì)算理論值為0.296。細(xì)微的測(cè)量差異是由于空氣線能量損失導(dǎo)致的。


圖3.多段傳輸線的反射系數(shù)測(cè)量實(shí)例

窗口功能對(duì)分辨率的影響

     窗口功能可以使測(cè)量更有效并提高精度，因?yàn)樗梢詼p小頻域中的頻率極值并觀察時(shí)域中的影響。某些VNA提供了一個(gè)窗口功能，可以修正測(cè)量轉(zhuǎn)換為時(shí)域時(shí)可能發(fā)生的振鈴。

     窗口是由一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)導(dǎo)出的曲線，該函數(shù)從頻域數(shù)據(jù)中心的單位增益逐漸減少到末端的低值。這不是沒(méi)有代價(jià)的，因?yàn)榇翱谟袛U(kuò)大主瓣的效果，但降低了有效分辨率。出于這個(gè)原因，最好有一系列不同的窗口類(lèi)型可用，這樣就可以使用分辨率和副瓣效果之間的多個(gè)視圖(由應(yīng)用程序決定)。

     如前所述，窗口可能會(huì)對(duì)有效分辨率產(chǎn)生不利影響。為了獲取最佳分辨率，可以在頻域中使用矩形窗。分辨率越高，上升時(shí)間越快。這樣做的代價(jià)是會(huì)有較大的旁瓣，從而產(chǎn)生較大的振鈴。當(dāng)辨別DUT上的多個(gè)反射點(diǎn)時(shí)，旁瓣就是個(gè)問(wèn)題了。在這些情況下，低旁瓣窗口功能是比較理想的。如果DUT在頻帶邊緣具有小的反射，例如測(cè)量末端接上負(fù)載的空氣線，此時(shí)應(yīng)該選擇使用更高的分辨率。圖4是利用矩形窗和相關(guān)旁瓣的測(cè)量結(jié)果。


圖4.利用矩形窗提高分辨率，凸顯測(cè)量結(jié)果

VNA中的時(shí)域門(mén)控功能

     測(cè)量阻抗的另一個(gè)有效工具是門(mén)控功能。時(shí)域門(mén)本質(zhì)上是時(shí)域中的濾波器，用于去除特定的不連續(xù)性，例如測(cè)試夾具、電纜或連接器。去除任何不連續(xù)后，可以對(duì)微波電路的性能進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量。某些VNA允許用戶輕松控制不同的門(mén)控功能及其寬度，以觀察門(mén)控頻率響應(yīng)以及時(shí)間門(mén)控響應(yīng)。

     由于在測(cè)量中排除了不必要的影響，因此消除了頻域響應(yīng)中的誤差或紋波。就像在窗口中一樣，VNA需要提供門(mén)函數(shù)選擇，以便用戶可以在分辨率與波紋之間選擇最佳的平衡。

     在時(shí)域響應(yīng)中乘以門(mén)控窗口函數(shù)，并通過(guò)離散傅里葉變換將其轉(zhuǎn)換到頻域，可以更詳細(xì)地查看和分析門(mén)控頻率響應(yīng)或阻抗。

總結(jié)

     在高頻PCB設(shè)計(jì)中，VNA能夠以高精度和重復(fù)性經(jīng)濟(jì)高效地測(cè)量阻抗。某些功能，包括窗口功能和時(shí)域門(mén)控，更是工程師進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)分析的利器。

作者：Anritsu Company     
翻譯：袁彬彬，安立公司高級(jí)工程師

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