SPARQ系列述評之四―― VNA用戶的真實故事

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。具體來說就是分析背板上一塊子板通過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，這意味著他非常了解他設計的印制電路板上大部分線路的電磁特性。從設計的角度，這意味著什么？這意味著PCB板是多 層板-意味著材料（電介質(zhì)），意味著板材厚度（銅）。然后他使用傳輸線仿真器去預測他的板子將發(fā)生什么（燒毀的微帶線全貌）。他使用這個工具去仿真他單板 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(shù)據(jù)到單板仿真器并且仿真頻域特性，典型的就是S參數(shù)。然后，如果他有很多預算并且需要把錢花在 關(guān)鍵路徑上，他EM仿真 – 這意味這他將執(zhí)行單板上路徑的有限元分析。

有時候這些仿真能正常工作，有時候不行。他非常想把這些仿真當成真實的電路情況加以采用，因為他知道進行實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。有兩個主要的原因使得他無法測量 – 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儀器連接起來，-另外一個是測量儀器的成本。如果設備僅有兩個端 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讓人很容易氣餒的。最近，他們打算忍辱負重去買一臺矢量網(wǎng)絡 分析儀。史蒂夫不會使用VNA，所以他們新招了一名員工卡爾。卡爾來自于微波領域，過去是微波濾波器設計人員，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)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新興增長領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業(yè)知識在信號完整性領域卻派不上用場。信號完整性工程 師很自豪他們自己掌握了微波知識，因此將微波領域工程師貶低到很低的位置。卡爾發(fā)現(xiàn)他部門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 的確有些時候能做一些基本測量，但要分辨測量結(jié)果是否良好卻很困難。的確沒有指使測量是夠良好的標志也不容易區(qū)分S參數(shù)波形?？栂肫鹚还蛡蚯暗囊粋€故 事：他們試圖依靠VNA生成的數(shù)據(jù)去仿真但過了幾周他們發(fā)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)是非常差的?？柋仨殞W習的一件事是混合模式S參數(shù)的概念。當卡爾，作為一名微波濾波 器設計者，過去習慣使用兩端口VNA，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)差分信號對于他而言是陌生的。有一次他做了測量結(jié)果很明顯看上去是錯誤的，直到他發(fā)現(xiàn)看到的是單端S參數(shù)， 而非差分模式S參數(shù)。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。一家公司的銷售人員告訴他這是因為他沒有做真正的差分測量，但是后來他 發(fā)現(xiàn)他的問題僅僅是單端和混合模式的轉(zhuǎn)換。后來他使用了某個軟件去做這種轉(zhuǎn)換，但是他必須非常小心在轉(zhuǎn)換時不要犯一點小錯誤，如果犯了結(jié)果將是非常糟糕 的。

去年，卡爾做了一些測量結(jié)果產(chǎn)生了一些特定問題。他們花費了17萬美金購買了一臺全新的VNA，這臺VNA保存在用門禁卡才能進去的實驗室溫度控制區(qū)。他 可以進實驗室，但是其他一些工程師卻禁止入內(nèi)并不是因為VNA如此昂貴，而是因為有人弄壞了其中一個端口的連接頭卻沒有承認。誰知道呢，也許沒有人知道它 是否真壞了。賠本底線是他們間歇性得到出錯的數(shù)據(jù)。問題被這樣一個事實放大：他們必須將背板移動到實驗室其他地方然后產(chǎn)生一堆數(shù)據(jù)然后再挪動到其他區(qū)域。 其中涉及到的困難主要是沒有人仔細檢查過數(shù)據(jù)并且數(shù)據(jù)已經(jīng)被email到其他人那里。僅僅在一周后錯誤被發(fā)現(xiàn)當他們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在仿真器中不能正常工作，這時 連接器問題才被發(fā)現(xiàn)。如果之前有某種方式去檢查數(shù)據(jù)的有效性就好了。

盡管VNA出現(xiàn)了這些問題，卡爾依然喜歡VNA。史蒂夫并沒有發(fā)現(xiàn)卡爾有困難去處理這些問題，但是他聽說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(jié)果。非常不幸，這臺VNA是由公司位于加州的分公司購買 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?qū)?shù)據(jù)輸入時域仿真器時，他卻發(fā)現(xiàn)他不能看到時域性能。這時因為仿真器報告了一些無 源沖突。它依然可以生成一個結(jié)果，但他非常懷疑結(jié)果的可靠性。時域結(jié)果看上去并不好，而且他發(fā)現(xiàn)計算的點數(shù)是1600個而他之前要求的2000個。而且之 前他要求的是查看混合模式數(shù)據(jù)，但單端數(shù)據(jù)用以仿真。困惑之余，他發(fā)現(xiàn)即使是新采集的數(shù)據(jù)也不能產(chǎn)生正確的時域性能。他們把問題歸咎于直流點。原 來，VNA銷售人員的確已經(jīng)提示過卡爾VNA性能隨著頻率變化而變化，要盡可能在低頻采集數(shù)據(jù)以避免直流測量問題，這些問題肯定會影響時域精度。兩個博士 工程師花了兩個小時去標注S參數(shù)數(shù)據(jù)以最終完成時域仿真工作。