USB3.0線(xiàn)纜和連接器的阻抗和插損測試

下一代串行數據標準采用的高速率已經(jīng)進(jìn)入到微波領(lǐng)域。比如，即將到來(lái)的SuperSpeed USB(USB 3.0)通過(guò)雙絞線(xiàn)對線(xiàn)纜傳輸速的率就達到了5Gb/s。通過(guò)連接器和線(xiàn)纜傳輸如此高的速率必須考慮通道的不連續性引起的失真。為了將失真程度保持在一個(gè)可控的水平，標準規定了線(xiàn)纜和連接器對的阻抗和回波損耗。最新的測量使用S參數S11表征而且必須歸一化到線(xiàn)纜的90歐姆差分阻抗。

當測量USB 3.0通道的S參數時(shí)，可選的儀器是時(shí)域反射計或TDR。TDR系統通常往待測器件注入一個(gè)階躍電壓信號然后測量是時(shí)間函數的反射電壓。差分測量通過(guò)產(chǎn)生極性相反可相對定時(shí)的階躍電壓對實(shí)現。這篇文章中談到的都是差分信號。

反射電壓與發(fā)射器和待測器件之間的阻抗失配成比例，關(guān)系如下式：

Z0 是源阻抗，ZL(t)是待測器件的阻抗，r(t)是反射系數，Vr(t)/Vi(t)是入射和發(fā)射電壓的比率。式(1)假設到待測器件的源，線(xiàn)纜和連接器都是匹配的，但事實(shí)上這種情況很少見(jiàn)。為了補償線(xiàn)纜和連接器的不理想，參考平面校正（基線(xiàn)校正）通常進(jìn)行開(kāi)路，短路，負載校準。調整式 (1)可以得到待測器件的阻抗和時(shí)間（或距離）的函數，所以可以使用校準過(guò)的TDR做阻抗測量。

圖1展示了USB 3.0 帶有連接器線(xiàn)纜的的阻抗曲線(xiàn)。曲線(xiàn)表明了隨著(zhù)TDR 階躍信號在線(xiàn)纜中的行進(jìn)阻抗變化是時(shí)間的函數。注意軌跡兩頭的阻抗變化，那是由于連接器引起的，當使用上升時(shí)間100ps （階躍信號）測試時(shí)連接器的阻抗規定是90+/- 7歐。TDR的上升時(shí)間非常重要，因為阻抗變化和TDR階躍信號的上升時(shí)間成反比，而規范規定的USB 3.0信號的上升時(shí)間是100 ps，測量中匹配這個(gè)上升時(shí)間將給出信號“看到的”阻抗。

Figure 1: Differential impedance vs. time measurement for USB3.0 cable and mated connectors
圖1：USB 3.0帶有連接器線(xiàn)纜的 差分阻抗 vs 時(shí)間 測量

回波損耗或S11 是頻域的測量和反射系數有關(guān)。歸一化（通過(guò)反射平面校準 基線(xiàn)校正）反射系數的傅里葉變換給出了回波損耗是頻率的函數。圖2給出了USB 3.0線(xiàn)纜和連接器測量的結果。圖中的橫軸表示2GHz/div，范圍是0~20GHz，縱軸表示10dB/div?；夭〒p耗在2GHz大約是15dB,但隨著(zhù)頻率的增加開(kāi)始變得越來(lái)越小。精細的空值間隔是由線(xiàn)纜末端的連接器引起的，較大的空值間隔是由于連接器內部的阻抗結構決定的。

Figure 2: Differential return loss for USB3.0 cable with mated connectors
圖2： USB 3.0 帶有連接器線(xiàn)纜的差分回波損耗

回波損耗可以參考圖1中線(xiàn)纜和連接器阻抗是90歐而TDR系統差分阻抗是100歐，由于USB 3.0發(fā)射機阻抗是90歐，這個(gè)不匹配人為地減少了回波損耗。為了正確的表達回波損耗，將阻抗轉化為測試到的S11 是非常必要的，轉換關(guān)系由下式給出。

and (2)

轉化可以分為兩步。首先，用特征阻抗是100歐姆的測試系統得出的復數S參數計算出復數的負載阻抗。其次，用新的90歐姆參考阻抗計算出負載阻抗的S參數?；夭〒p耗是頻率的函數，所以可以計算出每個(gè)頻點(diǎn)的S參數。

舉個(gè)例子，用100歐姆阻抗表征的復合回波損耗S11 = 0.53 - 0.12J 轉換到90歐姆的如下：

式2 用來(lái)將圖2中測到的插損 轉換到90歐姆差分阻抗。圖3中的兩個(gè)曲線(xiàn)給出了100歐姆和90歐姆特征阻抗的的回波損耗。

igure 3: Return loss measured with 100 ohm reference (dotted line) and 90 ohm (solid line) reference
圖3：100 歐姆（虛線(xiàn)）和90歐姆參考（實(shí)線(xiàn)）的回波損耗

USB 3.0 線(xiàn)纜和連接器的差分阻抗可以使用校正的TDR系統測量插損而得出。通過(guò)對連接到待測器件的參考平面（基線(xiàn)校正）運行開(kāi)路，短路，負載進(jìn)行校正。通過(guò)簡(jiǎn)單的轉換測試系統和待測器件之間的不同阻抗進(jìn)行插損補償。

References
參考：

[1] “Time Domain Spectrum Analyzer and S Parameter Vector Network Analyzer”, James R. Andrews, Picosecond Pulse Labs application note AN-16a, November 2004

[2] “converting s-parameters from 50-ohm to 75-ohm Impedance”, Dallas Semiconductor/Maxxim application note November 21, 2003