SPARQ系列述評之四―― VNA用戶(hù)的真實(shí)故事

史蒂夫是設計背板的信號完整性工程師。他的工作是設計背板上承載特定速度信號的印制電路板。具體來(lái)說(shuō)就是分析背板上一塊子板通過(guò)連接器到靠近另外一塊子板的連接器的特定通路信號的完整性。

他將微波理論的知識應用到單板設計上，這意味著(zhù)他非常了解他設計的印制電路板上大部分線(xiàn)路的電磁特性。從設計的角度，這意味著(zhù)什么？這意味著(zhù)PCB板是多 層板-意味著(zhù)材料（電介質(zhì)），意味著(zhù)板材厚度（銅）。然后他使用傳輸線(xiàn)仿真器去預測他的板子將發(fā)生什么（燒毀的微帶線(xiàn)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）。然后他輸入所有數據到單板仿真器并且仿真頻域特性，典型的就是S參數。然后，如果他有很多預算并且需要把錢(qián)花在 關(guān)鍵路徑上，他EM仿真 – 這意味這他將執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成真實(shí)的電路情況加以采用，因為他知道進(jìn)行實(shí)際測量性能的難度和成本。在很多情況下，他設 計、仿真和試驗去看工作是否正常。有兩個(gè)主要的原因使得他無(wú)法測量 – 其中之一是需要深入掌握如何測量信號的知識。他知道他必須使用某種方式將他的器件和測量?jì)x器連接起來(lái)，-另外一個(gè)是測量?jì)x器的成本。如果設備僅有兩個(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雜性到更高頻率包括校準的復雜性是會(huì )讓人很容易氣餒的。最近，他們打算忍辱負重去買(mǎi)一臺矢量網(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?lái)自于微波領(lǐng)域，過(guò)去是微波濾波器設計人員，現在發(fā)現信號完整性工程師是一份更好的工 作。這是因為信號完整性是個(gè)新興增長(cháng)領(lǐng)域并且他們也顯示了對他的高度尊重。然而大部分他知道的微波專(zhuān)業(yè)知識在信號完整性領(lǐng)域卻派不上用場(chǎng)。信號完整性工程 師很自豪他們自己掌握了微波知識，因此將微波領(lǐng)域工程師貶低到很低的位置?？柊l(fā)現他部門(mén)的其他信號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，但要分辨測量結果是否良好卻很困難。的確沒(méi)有指使測量是夠良好的標志也不容易區分S參數波形?？栂肫鹚还蛡蚯暗囊粋€(gè)故 事：他們試圖依靠VNA生成的數據去仿真但過(guò)了幾周他們發(fā)現一些數據是非常差的?？柋仨殞W(xué)習的一件事是混合模式S參數的概念。當卡爾，作為一名微波濾波 器設計者，過(guò)去習慣使用兩端口VNA，現在發(fā)現差分信號對于他而言是陌生的。有一次他做了測量結果很明顯看上去是錯誤的，直到他發(fā)現看到的是單端S參數， 而非差分模式S參數。他以為兩者是相同的，但是因為差分信號對看上去是非常不同的。一家公司的銷(xiāo)售人員告訴他這是因為他沒(méi)有做真正的差分測量，但是后來(lái)他 發(fā)現他的問(wèn)題僅僅是單端和混合模式的轉換。后來(lái)他使用了某個(gè)軟件去做這種轉換，但是他必須非常小心在轉換時(shí)不要犯一點(diǎn)小錯誤，如果犯了結果將是非常糟糕 的。

去年，卡爾做了一些測量結果產(chǎn)生了一些特定問(wèn)題。他們花費了17萬(wàn)美金購買(mǎi)了一臺全新的VNA，這臺VNA保存在用門(mén)禁卡才能進(jìn)去的實(shí)驗室溫度控制區。他 可以進(jìn)實(shí)驗室，但是其他一些工程師卻禁止入內并不是因為VNA如此昂貴，而是因為有人弄壞了其中一個(gè)端口的連接頭卻沒(méi)有承認。誰(shuí)知道呢，也許沒(méi)有人知道它 是否真壞了。賠本底線(xiàn)是他們間歇性得到出錯的數據。問(wèn)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)驗室其他地方然后產(chǎn)生一堆數據然后再挪動(dòng)到其他區域。 其中涉及到的困難主要是沒(méi)有人仔細檢查過(guò)數據并且數據已經(jīng)被email到其他人那里。僅僅在一周后錯誤被發(fā)現當他們發(fā)現數據在仿真器中不能正常工作，這時(shí) 連接器問(wèn)題才被發(fā)現。如果之前有某種方式去檢查數據的有效性就好了。

盡管VNA出現了這些問(wèn)題，卡爾依然喜歡VNA。史蒂夫并沒(méi)有發(fā)現卡爾有困難去處理這些問(wèn)題，但是他聽(tīng)說(shuō)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，這對卡爾而言非常重要。今天，史蒂夫收到卡爾的VNA測量結果。非常不幸，這臺VNA是由公司位于加州的分公司購買(mǎi) 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。當史蒂夫將數據輸入時(shí)域仿真器時(shí)，他卻發(fā)現他不能看到時(shí)域性能。這時(shí)因為仿真器報告了一些無(wú) 源沖突。它依然可以生成一個(gè)結果，但他非常懷疑結果的可靠性。時(shí)域結果看上去并不好，而且他發(fā)現計算的點(diǎn)數是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據，但單端數據用以仿真。困惑之余，他發(fā)現即使是新采集的數據也不能產(chǎn)生正確的時(shí)域性能。他們把問(wèn)題歸咎于直流點(diǎn)。原 來(lái)，VNA銷(xiāo)售人員的確已經(jīng)提示過(guò)卡爾VNA性能隨著(zhù)頻率變化而變化，要盡可能在低頻采集數據以避免直流測量問(wèn)題，這些問(wèn)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)去標注S參數數據以最終完成時(shí)域仿真工作。