安立：VNA窗口和门控功能在PCB阻抗测量中的应用

2/10/2023，光纤在线讯，为了传输更复杂的射频信号，印制电路板（PCB）正变得越来越密集。尽管阻抗测量一直很重要，但随着新设计的出现，阻抗测量变得更加重要。为了确保信号正确地通过电路板，配备有时域分析（包括基本和高级窗口和门控功能）的矢量网络分析仪（VNA）可以更准确和高重复性的阻抗测量。

     在进行PCB测量时，时域测量很有价值，因为它提供了在频域测量中缺失的被测器件（DUT）的特征描述。VNA为时域测量提供了几个好处，包括：

• 准确测量插入和回波损耗的频率响应
• 多种校准方法，确保测量结果的准确性
• 嵌入和去嵌入

     与时域反射测量设备相比，具有宽带宽的VNA，如VectorStar™ ME7838系列矢量网络分析仪，可以提供更高的时域分辨率。这对于高频设计就显得尤为重要。VNA的频率覆盖范围越宽，时域分辨率越高，进而更容易发现系统中的缺陷和其他异常情况。

频域与时域的转换

     使用VNA进行阻抗测量的一个关键点是利用离散傅里叶逆变换(IDFT)将频域数据转换到时域，进而得到时域结果。当使用IDFT转换到时域时，VNA变成了一个周期函数，抵消了仪器固有的频带限制。图1显示了使用VNA内置的IDFT在时域内的周期性脉冲响应。两条垂直标记线显示的是-25毫秒到+25毫秒的区间范围。


图1.具有IDFT的VNA的时域周期脉冲响应

     信号完整性工程师在使用VNA时可以选择两种类型的时域:

    低通时域– VNA可以通过这个选项用阶跃激励模拟TDR。还可以用脉冲激励，因此工程师可以在时域中查看脉冲响应。频率必须是谐波相关的，即起始频率必须等于步长。直流项是从最低频率值推断出来的。另外，当使用低通时域时，频率样本会从负频率翻倍到正频率以满足IDFT的要求。

     带通时域 – 针对传输线故障定位，建议采用带通时域，起始和终止频率可以任意设置。与低通时域模式相比，这种方法不需要考虑DC项，但是分辨率较低。在IDFT之后，脉冲响应也不再是真实函数了。

     图2显示了选择不同时域类型时，测量结果的变化。决定选用的测试类型取决于与设计相关的测试需求。


图2.低通和带通时域测量实例

传输线的反射系数

     在传输线的终端处观察到的阻抗对终端具有更复杂的关联性。因此，应测量“源”端处的阻抗与“负载”阻抗之间的关系，这被称为传输线的反射系数。

     VNA是测量多段传输线反射系数的理想仪器。它可以在低通时域下以阶跃响应的形式测量阻抗不连续处的反射系数，或在低通时域或带通时域下，以脉冲响应的形式显示不连续点的真实结果。

     图3是测试三段不同阻抗的传输线的示例，以及用于计算每个不连续界面处反射系数的方程式。VNA测量值与理论计算结果吻合良好。在空气线的测量示例中，第一反射系数的测量值为-0.331，理论计算值为-0.333，第二不连续处的第二反射系数为.288，计算理论值为0.296。细微的测量差异是由于空气线能量损失导致的。


图3.多段传输线的反射系数测量实例

窗口功能对分辨率的影响

     窗口功能可以使测量更有效并提高精度，因为它可以减小频域中的频率极值并观察时域中的影响。某些VNA提供了一个窗口功能，可以修正测量转换为时域时可能发生的振铃。

     窗口是由一个数学函数导出的曲线，该函数从频域数据中心的单位增益逐渐减少到末端的低值。这不是没有代价的，因为窗口有扩大主瓣的效果，但降低了有效分辨率。出于这个原因，最好有一系列不同的窗口类型可用，这样就可以使用分辨率和副瓣效果之间的多个视图(由应用程序决定)。

     如前所述，窗口可能会对有效分辨率产生不利影响。为了获取最佳分辨率，可以在频域中使用矩形窗。分辨率越高，上升时间越快。这样做的代价是会有较大的旁瓣，从而产生较大的振铃。当辨别DUT上的多个反射点时，旁瓣就是个问题了。在这些情况下，低旁瓣窗口功能是比较理想的。如果DUT在频带边缘具有小的反射，例如测量末端接上负载的空气线，此时应该选择使用更高的分辨率。图4是利用矩形窗和相关旁瓣的测量结果。


图4.利用矩形窗提高分辨率，凸显测量结果

VNA中的时域门控功能

     测量阻抗的另一个有效工具是门控功能。时域门本质上是时域中的滤波器，用于去除特定的不连续性，例如测试夹具、电缆或连接器。去除任何不连续后，可以对微波电路的性能进行更准确的测量。某些VNA允许用户轻松控制不同的门控功能及其宽度，以观察门控频率响应以及时间门控响应。

     由于在测量中排除了不必要的影响，因此消除了频域响应中的误差或纹波。就像在窗口中一样，VNA需要提供门函数选择，以便用户可以在分辨率与波纹之间选择最佳的平衡。

     在时域响应中乘以门控窗口函数，并通过离散傅里叶变换将其转换到频域，可以更详细地查看和分析门控频率响应或阻抗。

总结

     在高频PCB设计中，VNA能够以高精度和重复性经济高效地测量阻抗。某些功能，包括窗口功能和时域门控，更是工程师进行详细设计分析的利器。

作者：Anritsu Company     
翻译：袁彬彬，安立公司高级工程师

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