SPARQ系列述评之四—— VNA用户的真实故事

 史蒂夫是设计背板的信号完整性工程师。他的工作是设计背板上承载特定速度信号的印制电路板。具体来说就是分析背板上一块子板通过连接器到靠近另外一块子板的连接器的特定通路信号的完整性。

    他将微波理论的知识应用到单板设计上，这意味着他非常了解他设计的印制电路板上大部分线路的电磁特性。从设计的角度，这意味着什么？这意味着PCB板是多 层板-意味着材料（电介质），意味着板材厚度（铜）。然后他使用传输线仿真器去预测他的板子将发生什么（烧毁的微带线全貌）。他使用这个工具去仿真他单板 的阻抗和损耗特性（电磁等效电路的全貌）。然后他输入所有数据到单板仿真器并且仿真频域特性，典型的就是S参数。然后，如果他有很多预算并且需要把钱花在 关键路径上，他EM仿真 – 这意味这他将执行单板上路径的有限元分析。

     有时候这些仿真能正常工作，有时候不行。他非常想把这些仿真当成真实的电路情况加以采用，因为他知道进行实际测量性能的难度和成本。在很多情况下，他设 计、仿真和试验去看工作是否正常。有两个主要的原因使得他无法测量 – 其中之一是需要深入掌握如何测量信号的知识。他知道他必须使用某种方式将他的器件和测量仪器连接起来，-另外一个是测量仪器的成本。如果设备仅有两个端 口，那将是一件事，而如果20 GHz是足够的，那将是另外一件事，但是四端口的成本和复杂性到更高频率包括校准的复杂性是会让人很容易气馁的。最近，他们打算忍辱负重去买一台矢量网络 分析仪。史蒂夫不会使用VNA，所以他们新招了一名员工卡尔。卡尔来自于微波领域，过去是微波滤波器设计人员，现在发现信号完整性工程师是一份更好的工 作。这是因为信号完整性是个新兴增长领域并且他们也显示了对他的高度尊重。然而大部分他知道的微波专业知识在信号完整性领域却派不上用场。信号完整性工程 师很自豪他们自己掌握了微波知识，因此将微波领域工程师贬低到很低的位置。卡尔发现他部门的其他信号完整性工程师并不具备他在VNA使用方面的技巧。他们 的确有些时候能做一些基本测量，但要分辨测量结果是否良好却很困难。的确没有指使测量是够良好的标志也不容易区分S参数波形。卡尔想起他被雇佣前的一个故 事：他们试图依靠VNA生成的数据去仿真但过了几周他们发现一些数据是非常差的。卡尔必须学习的一件事是混合模式S参数的概念。当卡尔，作为一名微波滤波 器设计者，过去习惯使用两端口VNA，现在发现差分信号对于他而言是陌生的。有一次他做了测量结果很明显看上去是错误的，直到他发现看到的是单端S参数， 而非差分模式S参数。他以为两者是相同的，但是因为差分信号对看上去是非常不同的。一家公司的销售人员告诉他这是因为他没有做真正的差分测量，但是后来他 发现他的问题仅仅是单端和混合模式的转换。后来他使用了某个软件去做这种转换，但是他必须非常小心在转换时不要犯一点小错误，如果犯了结果将是非常糟糕 的。

 去年，卡尔做了一些测量结果产生了一些特定问题。他们花费了17万美金购买了一台全新的VNA，这台VNA保存在用门禁卡才能进去的实验室温度控制区。他 可以进实验室，但是其他一些工程师却禁止入内并不是因为VNA如此昂贵，而是因为有人弄坏了其中一个端口的连接头却没有承认。谁知道呢，也许没有人知道它 是否真坏了。赔本底线是他们间歇性得到出错的数据。问题被这样一个事实放大：他们必须将背板移动到实验室其他地方然后产生一堆数据然后再挪动到其他区域。 其中涉及到的困难主要是没有人仔细检查过数据并且数据已经被email到其他人那里。仅仅在一周后错误被发现当他们发现数据在仿真器中不能正常工作，这时 连接器问题才被发现。如果之前有某种方式去检查数据的有效性就好了。

 尽管VNA出现了这些问题，卡尔依然喜欢VNA。史蒂夫并没有发现卡尔有困难去处理这些问题，但是他听说VNA的确是测量的黄金配置。毕竟这是他们公司最 精确的仪器，也有非常高的动态范围，这对卡尔而言非常重要。今天，史蒂夫收到卡尔的VNA测量结果。非常不幸，这台VNA是由公司位于加州的分公司购买 的，史蒂夫不得不将他的单板寄到卡尔那里，并为测量等上一周。当史蒂夫将数据输入时域仿真器时，他却发现他不能看到时域性能。这时因为仿真器报告了一些无 源冲突。它依然可以生成一个结果，但他非常怀疑结果的可靠性。时域结果看上去并不好，而且他发现计算的点数是1600个而他之前要求的2000个。而且之 前他要求的是查看混合模式数据，但单端数据用以仿真。困惑之余，他发现即使是新采集的数据也不能产生正确的时域性能。他们把问题归咎于直流点。原 来，VNA销售人员的确已经提示过卡尔VNA性能随着频率变化而变化，要尽可能在低频采集数据以避免直流测量问题，这些问题肯定会影响时域精度。两个博士 工程师花了两个小时去标注S参数数据以最终完成时域仿真工作。

 有一次，卡尔被问到如何提高测量的吞吐率。他说他已经以很快速度采集数据。他将被测器件与他的背板挂钩起来，并演示了VNA扫频和产生S参数的速度是多么 之快。他从保存的目录中回调了校准文件然后很快取得数据。取得S参数数据仅需几分钟时间。按照卡尔的观点VNA是非常容易使用的。

 但是当卡尔被问到花了多长时间去测量背板上的8条线路时，他说“整个下午”。很显然有一些时间是卡尔遗漏的。他意识到他的大部分时间都花在将背板送进 VNA所在的实验室内，通过痛苦和有时候是不可靠的校准过程以及连接线路。而且，之后还有大量工作去补偿夹具对测量的负面影响，这一直是难以理解的过程。