利用VNA分析高速线上的串扰

差分电路可以有效地去除高频、高速设计中的共模噪声。差分器件和传输线不仅常被用于高速数字总线设计，而且也被用于包括手机在内的许多射频和微波产品中。与测试传统的单端器件相比，测试差分器件和传输线需要更多的测试端口。Anritsu(安立)公司的12端口矢量网络分析仪(VNA)能够对工作在 40~65GHz频率范围内的单端信号、混合模式和差分器件进行散射参数(S参数)测试，非常适合高速器件和系统的信号完整性(SI)测量。

Anritsu的12端口65GHz系统由一个型号为37397D的双端口VNA系统、一个外部测试装置以及多个安置方便的端口模块组成。这种移动测试端口可以紧靠任何形状的被测设备(DUT)放置，从而使得该测量系统与晶圆探测系统一起使用时能发挥强大功能。适用于4、8和12端口应用的测试系统校准功能得到了PAF公司的一款灵活的校准和测量软件的支持。这个功能强大的软件可以帮助操作人员应对最困难的多端口测试，包括晶圆级测量。针对具有144个S 参数的复杂测量，这个12端口VNA系统和软件支持一个精确的78项错误模型，带有至少有17条连接。

VNA传统上常被用来对单端50Ω元器件进行S参数测量，但随着数字通信系统和总线速度、频率的提高，多端口混合模式S参数已经成为分析高速数字信号线、总线和器件信号完整性(SI)的有效工具。例如，VNA可以直接测量高速通道上的串扰。虽然高速背板中设计的通道相互之间是独立的，但它们经常受到高速/ 高频信号通道之间串扰的影响。对于USB3.0或第3代PCI Express等速度已经超过10Gbps的数字通信标准来说，12端口65GHz VNA测试系统可以在全速状态下提供有意义的信号完整性测量，能为多通道同时测量提供必需的测量端口。

除了高速背板，越来越多的无线元器件和设备也采用差分(平衡的)架构来减少电磁干扰(EMI)的影响。虽然4端口VNA系统可被用来测量单个差分通道或器件，但更复杂的元器件需要更多数量的测量端口。事实上，对高速传输线进行单端测量可能产生性能降低的错误结果，因为这些传输线是针对差分信号来设计的。

对高速背板而言，相邻差分通道间的串扰会降低其性能。在一对差分通道中，产生串扰的那个通道被称为干扰通道(干扰线)，而耦合而受到串扰影响的相邻通道被称为被干扰通道(被干扰线)。为用VNA系统分析两个差分通道的串扰，干扰线需要4个测试端口，被干扰线需要4个测试端口。当然，在多通道通信系统或多组差分线中，一对相邻线实际上与周边其它线并非隔离。因此，分析两个相邻干扰线在被干扰线上造成的串扰通常更有实际意义。因为每根线需要4个测试端口，所以共需要12个测试端口。

构建12端口VNA系统有好几种架构可供选择。下面介绍的两种架构都以基本的双端口VNA系统为基础，这种双端口VNA系统通常采用一对采样器，并且每个端口上都有一个双向耦合器，以测量这些端口上的突发事件和反射信号。在第一种设计中，通过为每个额外测试端口增加一对采样器和相关的高频硬件来增加端口数量。这种方法虽然比较简捷，但会大大增加测试系统的复杂性和成本。在第二种方法中，为从双端口系统为起点创建具有更多端口的VNA系统，需要在双端口 VNA中增加开关矩阵，以便将信号路由到原始的测试端口。虽然这种方法对开关矩阵的性能又很高要求，但与第一种方法相比复杂性较低，成本也更低。 Intel公司的研究表明，当采用正确的校准技术时，基于这种系统架构的多采样器测试系统具有相当高的精度。

图1：12端口VNA系统能对40~65GHz频率范围内的混合模式和差分器件进行S参数测量。

Anritsu(安立)公司的12端口65GHz系统(图1)基于4端口测量引擎，这个4端口测量引擎采用毫米波频率的开关矩阵将信号从远程端口模块路由到4个测试端口，从而增加了测量端口的有效数量。由Anritsu公司设计生产的上述开关矩阵采用了低损耗的65GHz宽带开关(图2)。

开关元件的选择包括电子机械开关和固态(PIN二极管)开关。电子机械开关具有带宽高、插损低和隔离度高的优点，但与固态开关相比，它们的运动部件导致元件的平均无故障时间(MTBF)较短，并且性能可重复性也较低。PIN二极管支持数百万的开关次数，具有卓越的可靠性，但缺少机械开关突出的射频/微波性能。为克服固态开关的电气缺陷，特别是在毫米波频率下?现的缺点，Anritsu开发出了一种创新设计，该设计充分整合了机械开关的电气性能和固态开关经过验证的MTBF可靠性。整个开关矩阵具有大于95dB的隔离度，在60GHz时的插入损耗低于6dB。在移动测试端口内靠近DUT放置高性能耦合器有助于优化原始的定向性。