為了傳輸更復(fù)雜的射頻信號，印制電路板（PCB）正變得越來越密集。盡管阻抗測量一直很重要，但隨著新設(shè)計的出現(xiàn)，阻抗測量變得更加重要。為了確保信號正確地通過電路板，配備有時域分析（包括基本和高級窗口和門控功能）的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）可以更準(zhǔn)確和高重復(fù)性的阻抗測量。
在進(jìn)行PCB測量時，時域測量很有價值，因為它提供了在頻域測量中缺失的被測器件（DUT）的特征描述。VNA為時域測量提供了幾個好處，包括：
·準(zhǔn)確測量插入和回波損耗的頻率響應(yīng)
·多種校準(zhǔn)方法，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性
·嵌入和去嵌入
與時域反射測量設(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，可以提供更高的時域分辨率。這對于高頻設(shè)計就顯得尤為重要。VNA的頻率覆蓋范圍越寬，時域分辨率越高，進(jìn)而更容易發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的缺陷和其他異常情況。
頻域與時域的轉(zhuǎn)換
使用VNA進(jìn)行阻抗測量的一個關(guān)鍵點是利用離散傅里葉逆變換(IDFT)將頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到時域，進(jìn)而得到時域結(jié)果。當(dāng)使用IDFT轉(zhuǎn)換到時域時，VNA變成了一個周期函數(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的時域周期脈沖響應(yīng)
信號完整性工程師在使用VNA時可以選擇兩種類型的時域:
低通時域– VNA可以通過這個選項用階躍激勵模擬TDR。還可以用脈沖激勵，因此工程師可以在時域中查看脈沖響應(yīng)。頻率必須是諧波相關(guān)的，即起始頻率必須等于步長。直流項是從最低頻率值推斷出來的。另外，當(dāng)使用低通時域時，頻率樣本會從負(fù)頻率翻倍到正頻率以滿足IDFT的要求。
帶通時域 – 針對傳輸線故障定位，建議采用帶通時域，起始和終止頻率可以任意設(shè)置。與低通時域模式相比，這種方法不需要考慮DC項，但是分辨率較低。在IDFT之后，脈沖響應(yīng)也不再是真實函數(shù)了。
圖2顯示了選擇不同時域類型時，測量結(jié)果的變化。決定選用的測試類型取決于與設(shè)計相關(guān)的測試需求。
圖2.低通和帶通時域測量實例
傳輸線的反射系數(shù)
在傳輸線的終端處觀察到的阻抗對終端具有更復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性。因此，應(yīng)測量“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是測量多段傳輸線反射系數(shù)的理想儀器。它可以在低通時域下以階躍響應(yīng)的形式測量阻抗不連續(xù)處的反射系數(shù)，或在低通時域或帶通時域下，以脈沖響應(yīng)的形式顯示不連續(xù)點的真實結(jié)果。
圖3是測試三段不同阻抗的傳輸線的示例，以及用于計算每個不連續(xù)界面處反射系數(shù)的方程式。VNA測量值與理論計算結(jié)果吻合良好。在空氣線的測量示例中，第一反射系數(shù)的測量值為-0.331，理論計算值為-0.333，第二不連續(xù)處的第二反射系數(shù)為.288，計算理論值為0.296。細(xì)微的測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)測量實例
窗口功能對分辨率的影響
窗口功能可以使測量更有效并提高精度，因為它可以減小頻域中的頻率極值并觀察時域中的影響。某些VNA提供了一個窗口功能，可以修正測量轉(zhuǎn)換為時域時可能發(fā)生的振鈴。
窗口是由一個數(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。這不是沒有代價的，因為窗口有擴(kuò)大主瓣的效果，但降低了有效分辨率。出于這個原因，最好有一系列不同的窗口類型可用，這樣就可以使用分辨率和副瓣效果之間的多個視圖(由應(yīng)用程序決定)。
如前所述，窗口可能會對有效分辨率產(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，上升時間越快。這樣做的代價是會有較大的旁瓣，從而產(chǎn)生較大的振鈴。當(dāng)辨別DUT上的多個反射點時，旁瓣就是個問題了。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，例如測量末端接上負(fù)載的空氣線，此時應(yīng)該選擇使用更高的分辨率。圖4是利用矩形窗和相關(guān)旁瓣的測量結(jié)果。
圖4.利用矩形窗提高分辨率，凸顯測量結(jié)果
VNA中的時域門控功能
測量阻抗的另一個有效工具是門控功能。時域門本質(zhì)上是時域中的濾波器，用于去除特定的不連續(xù)性，例如測試夾具、電纜或連接器。去除任何不連續(xù)后，可以對微波電路的性能進(jìn)行更準(zhǔn)確的測量。某些VNA允許用戶輕松控制不同的門控功能及其寬度，以觀察門控頻率響應(yīng)以及時間門控響應(yīng)。
由于在測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。
在時域響應(yīng)中乘以門控窗口函數(shù)，并通過離散傅里葉變換將其轉(zhuǎn)換到頻域，可以更詳細(xì)地查看和分析門控頻率響應(yīng)或阻抗。
總結(jié)
在高頻PCB設(shè)計中，VNA能夠以高精度和重復(fù)性經(jīng)濟(jì)高效地測量阻抗。某些功能，包括窗口功能和時域門控，更是工程師進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計分析的利器。
作者：Anritsu Company
翻譯：袁彬彬，安立公司高級工程師
