用2端口矢量网络分析仪(VNA)测量低阻抗组件是必不可少的非常有名的技巧[1]。按照传统，需要花费2万美元以上的VNA。在我们的工作中，我们使用了一种新的VNA，价格低于500美元，用于低阻抗组件的表征。本文描述了我们使用这种低成本VNA和开源仿真工具测量多层陶瓷电容器(MLCC)和拟合模型的经验。

低成本VNAs

VNA是测量互连结构s参数的常用仪器。有许多新的损失成本VNA仪器公司，如铜山，国家仪器和Picotech。但它们的售价仍在5000美元以上，这有点超出了典型工程师的个人预算。

相关资源

每道224 Gb/s:选择和挑战

其中一种乐器的价格低于500美元。DG8SAQ VNWA 3，从特别提款权包[2]的频率范围只有1khz到1.3 GHz，但价格为450美元。它是为业余无线电操作员开发的，想要测量天线的传递函数或其组件的阻抗剖面。公司创始人Jan Verduyn是一名注册的业余爱好者，呼号为G5BBL。VNWA产品名称中的DG8SAQ是该仪器的设计师Tom Baier的呼号。

DG8SAQ VNWA 3是一个2端口VNA。早期型号3E只能进行S11和S21的测量。这意味着，虽然它有两个端口，但它只能测量正向。最新的型号，VNWA 3SE，能够全自动2端口测量。虽然它们都可以用传统的SOLT标准进行校准，但SDR套件最近推出了一个ecal单元，Magi-Cal，它与两种仪器都兼容。

这不是玩具。在有限的频率范围内，它有令人印象深刻的规格。有一个内置的频率合成器，可以扫过窄或宽的频率范围。它被限制在大约1000个频率点。虽然规格列出的90db动态范围低于500 MHz和50 dB以上500 MHz，我们已经测量了我们的单位比这更好的性能。

由于频率限制只有1.3 GHz，对于信号频率扩展到25 GHz及以上的信号完整性应用来说，这似乎太低了。这种VNA在高速数字应用中可能提供什么价值?

PDN应用中的VNWA 3甜点

VNWA 3在1 kHz到1.3 GHz范围内的实际值是PDN应用的低阻抗测量。它能够进行对数频率扫描。这意味着它可以轻松覆盖10khz到1ghz的范围。这是完美的测量在功率分配路径中使用的组件和互连的阻抗剖面。

使用这种带日志频率扫描的VNWA的2端口分流方法是完美的应用程序。例如，为了测量电容器，我们想测量阻抗的大动态范围，从亚毫欧到>1k欧姆，特别是在高频时。

但是，只有VNWA是不够的。为了简单、可靠和常规的电容表征，我们需要VNA，一个固定板，上面放置电容和软件来分析测量。

将被测电容连接到VNA的两个端口的固定板是一个简单的2层板，两端有SMA连接器。一个分析这些s参数测量的开源软件工具是相当通用电路仿真(QUCS)[3]。图1显示了带有固定板和VNWA的完整系统示例。

F1

图1。完整的系统与VNWA和固定板与选择的结构和电容器。

2端口分流低阻抗方法

当测量非常低的阻抗时，2端口分流方法是工业中使用的标准过程。在这种技术中，两个端口连接在一起，被测组件连接在两个端口的信号引脚和相邻的地面之间。

这类似于4线开尔文法。实际上，端口1驱动电流，端口2测量电压。被测器件的复阻抗ZDUT,是

e1

VNA在指定的频率范围内测量S21。测量到的S21可以被输入到QUCS中，进行转换，可以计算和显示阻抗的幅值、相位甚至实部。

由于QUCS是一个类似SPICE的全功能模拟器，可以将测量到的阻抗剖面与简单的RLC模型进行比较，以拟合和提取参数值。

对该测量系统能力的一个有趣的测试是可以测量多低的阻抗。作为测试用例，添加了一团焊料来缩短信号及其相邻的返回值。焊点的宽度约为250密耳，约为1206组件宽度的4倍。图2显示了这个测试用例的拟合RL模型的测量阻抗。

f2

图2。焊锡短路的RL模型的测量阻抗和拟合阻抗。

在本例中，拟合模型与测量值相匹配，R = 0.25 mOhms和L = 0.033 nH。

这表明，这个简单，低成本的测量系统能够提供0.25 mOhm的电阻和33 pH的安装电感。实际的限制可能会更低。这些值可能是该焊点ESR和ESL的真实测量值。

三个电容值的神话

它通常是错误的报道1uf电容比10uF或47uf[4]的频率更高。这是基于假设您正在使用通孔，引线电容器，其中ESL是大约物理大小的电容器。

使用表面贴装器件(SMD)电容，可以获得0.1 uF和47 uF电容在相同的体尺寸下具有相同的ESL。当比较三个不同电容的测量阻抗剖面时，这一点得到了清楚的证明，每个电容都具有相同的1206体尺寸，并以几乎相同的方式连接到测试夹具上。

图3显示了1uf, 10uf和47uf电容的测量阻抗。虽然它们的阻抗在10兆赫以上的低频时非常不同，但在本例中，它们的阻抗是相同的。一个47uf电容和一个1uf电容是一样好的高频电容。低安装电感是去耦电容器最重要的选择标准。如果成本比较的话，47 uF电容在低频时比0.1 uF电容提供更好的性能，但与许多参考设计相反，同样好的高频性能。

f3

图3。与0.7 nH理想电感的阻抗相比，测量了三种相同尺寸的不同电容的阻抗。

总结

一个非常简单，低成本的测量系统可以用来测量和表征许多无源两端组件。该系统能够测量频率从10khz到1ghz的阻抗低于1欧姆。它非常适合于电容器的表征。低成本的VNA和开源的、免费的模拟器QUCS的结合，加上简单的、两层的、低成本的固定板，使得这个系统很好地控制在许多工程师的个人预算之内。任何对电容器特性感兴趣的实验室都应该有这个简单的系统。

引用:

  1. 诺瓦克,什。“为什么2端口低阻抗测量仍然重要，”信号完整性的杂志, 2020年1月。//www.lambexpress.com/articles/1544-why-2-port-low-impedance-measurements-still-matter
  2. SDR-Kits网站．https://www.sdr-kits.net/index.php?route=common/home
  3. QUCS网站．http://qucs.sourceforge.net/
  4. 博格廷，埃里克，拉里·史密斯和史蒂夫·桑德勒．"三个电容值的神话"信号完整性的杂志, 2020年3月。//www.lambexpress.com/articles/1589-the-myth-of-three-capacitor-values

鸣谢

来自科罗拉多大学博尔德分校的作者感谢AVX公司对完成该项目的支持。