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差分電路可以有效地去除高頻、高速設計中的共模噪聲。差分器件和傳輸線(xiàn)不僅常被用于高速數字總線(xiàn)設計，而且也被用于包括手機在內的許多射頻和微波產(chǎn)品中。與測試傳統的單端器件相比，測試差分器件和傳輸線(xiàn)需要更多的測試端口。Anritsu(安立)公司的12端口矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀(VNA)能夠對工作在40"65GHz頻率范圍內的單端信號、混合模式和差分器件進(jìn)行散射參數(S參數)測試，非常適合高速器件和系統的信號完整性(SI)測量。 Anritsu的12端口65GHz系統由一個(gè)型號為37397D的雙端口VNA系統、一個(gè)外部測試裝置以及多個(gè)安置方便的端口模塊組成。這種移動(dòng)測試端口可以緊靠任何形狀的被測設備(DUT)放置，從而使得該測量系統與晶圓探測系統一起使用時(shí)能發(fā)揮強大功能。適用于4、8和12端口應用的測試系統校準功能得到了PAF公司的一款靈活的校準和測量軟件的支持。這個(gè)功能強大的軟件可以幫助操作人員應對最困難的多端口測試，包括晶圓級測量。針對具有144個(gè)S參數的復雜測量，這個(gè)12端口VNA系統和軟件支持一個(gè)精確的78項錯誤模型，帶有至少有17條連接。 VNA傳統上常被用來(lái)對單端50Ω元器件進(jìn)行S參數測量，但隨著(zhù)數字通信系統和總線(xiàn)速度、頻率的提高，多端口混合模式S參數已經(jīng)成為分析高速數字信號線(xiàn)、總線(xiàn)和器件信號完整性(SI)的有效工具。例如，VNA可以直接測量高速通道上的串擾。雖然高速背板中設計的通道相互之間是獨立的，但它們經(jīng)常受到高速/高頻信號通道之間串擾的影響。對于USB3.0或第3代PCI Express等速度已經(jīng)超過(guò)10Gbps的數字通信標準來(lái)說(shuō)，12端口65GHz VNA測試系統可以在全速狀態(tài)下提供有意義的信號完整性測量，能為多通道同時(shí)測量提供必需的測量端口。 除了高速背板，越來(lái)越多的無(wú)線(xiàn)元器件和設備也采用差分(平衡的)架構來(lái)減少電磁干擾(EMI)的影響。雖然4端口VNA系統可被用來(lái)測量單個(gè)差分通道或器件，但更復雜的元器件需要更多數量的測量端口。事實(shí)上，對高速傳輸線(xiàn)進(jìn)行單端測量可能產(chǎn)生性能降低的錯誤結果，因為這些傳輸線(xiàn)是針對差分信號來(lái)設計的。 對高速背板而言，相鄰差分通道間的串擾會(huì )降低其性能。在一對差分通道中，產(chǎn)生串擾的那個(gè)通道被稱(chēng)為干擾通道(干擾線(xiàn))，而耦合而受到串擾影響的相鄰通道被稱(chēng)為被干擾通道(被干擾線(xiàn))。為用VNA系統分析兩個(gè)差分通道的串擾，干擾線(xiàn)需要4個(gè)測試端口，被干擾線(xiàn)需要4個(gè)測試端口。當然，在多通道通信系統或多組差分線(xiàn)中，一對相鄰線(xiàn)實(shí)際上與周邊其它線(xiàn)并非隔離。因此，分析兩個(gè)相鄰干擾線(xiàn)在被干擾線(xiàn)上造成的串擾通常更有實(shí)際意義。因為每根線(xiàn)需要4個(gè)測試端口，所以共需要12個(gè)測試端口。 構建12端口VNA系統有好幾種架構可供選擇。下面介紹的兩種架構都以基本的雙端口VNA系統為基礎，這種雙端口VNA系統通常采用一對采樣器，并且每個(gè)端口上都有一個(gè)雙向耦合器，以測量這些端口上的突發(fā)事件和反射信號。在第一種設計中，通過(guò)為每個(gè)額外測試端口增加一對采樣器和相關(guān)的高頻硬件來(lái)增加端口數量。這種方法雖然比較簡(jiǎn)捷，但會(huì )大大增加測試系統的復雜性和成本。在第二種方法中，為從雙端口系統為起點(diǎn)創(chuàng )建具有更多端口的VNA系統，需要在雙端口VNA中增加開(kāi)關(guān)矩陣，以便將信號路由到原始的測試端口。雖然這種方法對開(kāi)關(guān)矩陣的性能又很高要求，但與第一種方法相比復雜性較低，成本也更低。Intel公司的研究表明，當采用正確的校準技術(shù)時(shí)，基于這種系統架構的多采樣器測試系統具有相當高的精度。 圖1：12端口VNA系統能對40"65GHz頻率范圍內的混合模式和差分器件進(jìn)行S參數測量。 Anritsu(安立)公司的12端口65GHz系統(圖1)基于4端口測量引擎，這個(gè)4端口測量引擎采用毫米波頻率的開(kāi)關(guān)矩陣將信號從遠程端口模塊路由到4個(gè)測試端口，從而增加了測量端口的有效數量。由Anritsu公司設計生產(chǎn)的上述開(kāi)關(guān)矩陣采用了低損耗的65GHz寬帶開(kāi)關(guān)(圖2)。 開(kāi)關(guān)元件的選擇包括電子機械開(kāi)關(guān)和固態(tài)(PIN二極管)開(kāi)關(guān)。電子機械開(kāi)關(guān)具有帶寬高、插損低和隔離度高的優(yōu)點(diǎn)，但與固態(tài)開(kāi)關(guān)相比，它們的運動(dòng)部件導致元件的平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)較短，并且性能可重復性也較低。PIN二極管支持數百萬(wàn)的開(kāi)關(guān)次數，具有卓越的可靠性，但缺少機械開(kāi)關(guān)突出的射頻/微波性能。為克服固態(tài)開(kāi)關(guān)的電氣缺陷，特別是在毫米波頻率下?現的缺點(diǎn)，Anritsu開(kāi)發(fā)出了一種創(chuàng )新設計，該設計充分整合了機械開(kāi)關(guān)的電氣性能和固態(tài)開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)驗證的MTBF可靠性。整個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣具有大于95dB的隔離度，在60GHz時(shí)的插入損耗低于6dB。在移動(dòng)測試端口內靠近DUT放置高性能耦合器有助于優(yōu)化原始的定向性。 采用開(kāi)關(guān)矩陣多端口NVA架構還能為校準提供全面的靈活性。12端口65GHz VNA系統包含一個(gè)型號為37000D的VNA、帶多個(gè)SM6272測試端口模塊的開(kāi)關(guān)矩陣的測試裝置，以及校準與測量軟件。SM6272外部測試端口模塊(圖3)采用固態(tài)開(kāi)關(guān)和高性能定向性耦合器，在65GHz頻率以下可以提供很高的精度和可重復性。它們的外形也非常緊湊，只有4.5x5.0x7.0英寸，因而非常便于靠近DUT擺放。這些模塊可以被增加到基本系統中，形成一個(gè)具有更多端口數量的測試解決方案(比如從4端口系統升級到8端口系統)。 不管VNA系統是一個(gè)簡(jiǎn)單的雙端口系統還是一個(gè)較復雜的12端口VNA，為獲得較高的測量精度，必須仔細選擇和謹慎執行校準過(guò)程。校準的目的是去除或減掉測試夾具、電纜和用于從被測設備(DUT)收發(fā)信號的其它元件引起的電氣貢獻值。通過(guò)盡量縮短測試電纜的長(cháng)度(就如Anritsu的12端口VNA系統一樣)并采用高性能測試元件，系統能獲得很好的原始定向性。一個(gè)有效的校準過(guò)程會(huì )使用明確規定的電氣標準來(lái)表征測試系統的性能，因此理想的DUT測量應該只是測試DUT的電氣性能，不包括測試系統、夾具、探針或其它測試附件。 一個(gè)有效的校準過(guò)程必須從測試夾具、探針以及將信號路由至DUT的其它硬件那里收集到足夠的數據，以確定內部時(shí)延、失配、連接和開(kāi)關(guān)損耗效應，并從DUT測量結果中刨除這些效應。目前的VNA測試系統采用廣泛的校準過(guò)程，包括短路-開(kāi)路-負載-直通(SOLT)和直通-反射-匹配(TRM)方法。校準技術(shù)的選擇通常是DUT類(lèi)型及實(shí)際標準可用性的函數。每種校準方法都試圖從在DUT上取得的原始測量數據中去除錯誤項。隨著(zhù)VNA系統端口數量的增加，錯誤項的數量也越來(lái)越多。 這些已制定的VNA校準方法是專(zhuān)為傳統的多采樣器/定向性耦合器VNA架構而開(kāi)發(fā)，不適合采用開(kāi)關(guān)矩陣的多端口VNA測試系統(如Anritsu的12端口65GHz系統)。因此，Anritsu與PAF公司共同為12端口系統開(kāi)發(fā)了實(shí)用的測量與校準軟件。PAF是一家以開(kāi)發(fā)多端口VNA校準算法而著(zhù)名的公司，致力于為20GHz以下的多端口VNA測量與校準提供商用化軟件產(chǎn)品。Anritsu要求這種工具精確地擴展到65GHz。 該軟件縮短了校準和測試時(shí)間，并提供很大的靈活性，因為12端口VNA測量系統可被用于帶夾具裝置的同軸測量和晶圓級測量。系統的分離型硬件架構，以及可以靠近DUT測試夾具放置或直接擺放在晶圓探針臺上的端口模塊，都需要一定程度的校準靈活性以支持多種測試應用。這種靈活性對12端口晶圓測試應用來(lái)說(shuō)尤其關(guān)鍵，因為其可用的連接和校準標準數量非常有限。 為Anritsu的12端口65GHz VNA開(kāi)發(fā)的校準過(guò)程能根據連接的最小數量動(dòng)態(tài)計算標準連接順序，并同時(shí)提供最高可能達到的精度。PAF公司提供的MMS-NT校準和測試軟件(圖4)支持許多校準過(guò)程，包括SOLT、TRL、線(xiàn)路-反射-匹配(LRM)、線(xiàn)路-反射線(xiàn)(LRL)、短路-開(kāi)路-負載-互易直通(SOLR)、快速SOLT(QSOLT)甚至半泄漏校準。 根據新系統的測試端口數量以及校準中的可能連接數量，盡量縮短校準和測試時(shí)間對新的校準軟件來(lái)說(shuō)非常重要。MMS-NT軟件允許在兩個(gè)相對的端口之間，用單個(gè)12項校準完成12端口VNA系統的校準，對TRL校準而言這要用到6條連接。然后，在每個(gè)原始端口和對面的5個(gè)端口之間全面測量5次，這樣做僅增加11條連接。這個(gè)過(guò)程很容易在半自動(dòng)晶圓上系統中實(shí)現。即使在同軸測試環(huán)境中，17條連接校準仍可以在不到20分鐘的時(shí)間內完成。 實(shí)質(zhì)上，MMS-NT校準軟件適合獨特的測試端口配置，能以最少的連接提供最高的精度。MMS-NT軟件還能提供豐富的測量與顯示功能，支持12端口差分參數、時(shí)域反射儀(TDR)測量、眼圖顯示，可以將數據導出到Excel電子表格生成報表，或轉換成Touchstone文件格式供軟件仿真工具使用。 校準軟件包含可以自動(dòng)計算和管理多端口測量系統的誤差系數的內部算法和數據結構。一旦定義好多端口連接方式，軟件就能為所有已定義的端口的校準確定最優(yōu)最有效的連接方案。該軟件能自動(dòng)定義系統端口和連接器結構、描述正確的校準標準集、優(yōu)化校準標準連接的序列、減少所需連接的數量、計算誤差系數并修正測量數據。 這個(gè)12端口VNA系統采用緊湊的SM6272測試端口模塊，由于能將測試端口盡可能靠近DUT放置，所以非常適合進(jìn)行晶圓級測試。開(kāi)關(guān)和所有射頻信號路由表都位于每個(gè)模塊內和測試端口定向性耦合器的后面，具有最小的插入損耗和最優(yōu)的測量穩定性。每個(gè)測試端口模塊包含兩個(gè)帶堅固的公頭V型連接器的測試端口。MMS-NT軟件可以將測量連接方式自動(dòng)轉換成包括外部測試夾具補償在內的最佳多端口校準方案。 |
