為了傳輸更復雜的射頻信號，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，但隨著新設計的出現，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）的矢量網絡分析儀（VNA）可以更準確和高重復性的阻抗測量。
在進行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：
·準確測量插入和回波損耗的頻率響應
·多種校準方法，確保測量結果的準確性
·嵌入和去嵌入
與時域反射測量設備相比，具有寬帶寬的VNA，如VectorStar? ME7838系列矢量網絡分析儀，可以提供更高的時域分辨率。這對于高頻設計就顯得尤為重要。VNA的頻率覆蓋范圍越寬，時域分辨率越高，進而更容易發現系統中的缺陷和其他異常情況。
頻域與時域的轉換
使用VNA進行阻抗測量的一個關鍵點是利用離散傅里葉逆變換(IDFT)將頻域數據轉換到時域，進而得到時域結果。當使用IDFT轉換到時域時，VNA變成了一個周期函數，抵消了儀器固有的頻帶限制。圖1顯示了使用VNA內置的IDFT在時域內的周期性脈沖響應。兩條垂直標記線顯示的是-25毫秒到+25毫秒的區間范圍。
圖1.具有IDFT的VNA的時域周期脈沖響應
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。頻率必須是諧波相關的，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，當使用低通時域時，頻率樣本會從負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，脈沖響應也不再是真實函數了。
圖2顯示了選擇不同時域類型時，測量結果的變化。決定選用的測試類型取決于與設計相關的測試需求。
圖2.低通和帶通時域測量實例
傳輸線的反射系數
在傳輸線的終端處觀察到的阻抗對終端具有更復雜的關聯性。因此，應測量“源”端處的阻抗與“負載”阻抗之間的關系，這被稱為傳輸線的反射系數。
VNA是測量多段傳輸線反射系數的理想儀器。它可以在低通時域下以階躍響應的形式測量阻抗不連續處的反射系數，或在低通時域或帶通時域下，以脈沖響應的形式顯示不連續點的真實結果。
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界面處反射系數的方程式。VNA測量值與理論計算結果吻合良好。在空氣線的測量示例中，第一反射系數的測量值為-0.331，理論計算值為-0.333，第二不連續處的第二反射系數為.288，計算理論值為0.296。細微的測量差異是由于空氣線能量損失導致的。
圖3.多段傳輸線的反射系數測量實例
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，可以修正測量轉換為時域時可能發生的振鈴。
窗口是由一個數學函數導出的曲線，該函數從頻域數據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(由應用程序決定)。
如前所述，窗口可能會對有效分辨率產生不利影響。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，從而產生較大的振鈴。當辨別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載的空氣線，此時應該選擇使用更高的分辨率。圖4是利用矩形窗和相關旁瓣的測量結果。
圖4.利用矩形窗提高分辨率，凸顯測量結果
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。時域門本質上是時域中的濾波器，用于去除特定的不連續性，例如測試夾具、電纜或連接器。去除任何不連續后，可以對微波電路的性能進行更準確的測量。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以及時間門控響應。
由于在測量中排除了不必要的影響，因此消除了頻域響應中的誤差或紋波。就像在窗口中一樣，VNA需要提供門函數選擇，以便用戶可以在分辨率與波紋之間選擇最佳的平衡。
在時域響應中乘以門控窗口函數，并通過離散傅里葉變換將其轉換到頻域，可以更詳細地查看和分析門控頻率響應或阻抗。
總結
在高頻PCB設計中，VNA能夠以高精度和重復性經濟高效地測量阻抗。某些功能，包括窗口功能和時域門控，更是工程師進行詳細設計分析的利器。
作者：Anritsu Company
翻譯：袁彬彬，安立公司高級工程師
