印刷电路板(pcb)正变得越来越拥挤，而使用它们的设计则使用更复杂的射频信号。虽然阻抗测量一直很重要，但随着这些新兴设计的出现，它们变得更加重要。为了确保信号正确地通过电路板传播，配备了时域分析的矢量网络分析仪(VNA)，包括基本和高级窗口和门控功能，可以帮助产生更准确和可重复的阻抗测量。
在进行PCB测量时，时域数据是有价值的，因为它提供了在频域缺失的被测设备(DUT)的见解。VNA为时域测量提供了几个好处，包括:
- 用于精确插入和返回损失分析的频响响应
- 多种校准方法，确保测量准确
- 嵌入和反嵌入功能
具有宽带宽的VNA，如VectorStar™ME7838 Broadband系列，与时域反射测量设备相比，可以提供更强的时域分辨率。这对于新兴的高频设计尤为重要。VNA的频率覆盖范围越宽，时域分辨率越高。分辨率对于发现系统中的缺陷和其他异常特别重要。
将数据从频域转移到时域
使用VNA进行阻抗测量的一个关键方面是使用反离散傅里叶变换(IDFT)将频域数据传输到时域以创建时域样本。当使用IDFT转换到时域时，VNA变成了一个周期函数，抵消了仪器固有的带限特性。图1显示了使用集成IDFT的VNA在时域内的周期性脉冲响应。两条垂直线显示了从-25毫秒到+25毫秒的自由别名区。
自由别名区 |
时域的周期脉冲响应 |
图1。基于VNA和IDFT的时域周期脉冲响应。
信号完整性工程师在使用VNA时可以选择两种类型的时域:
低通时域- VNA可以通过该选项模拟带有台阶刺激的TDR。还可以应用脉冲刺激，因此工程师可以在时域中查看脉冲响应。频率必须是谐波相关的，即，开始频率必须等于步长。直流项是从最低频率值推断出来的。需要考虑的一个因素是，当使用低通时域时，频率样本从负频率翻倍到正频率以满足IDFT要求。
带通时域—对于传输线故障定位，建议采用带通时域，启动和停止频率可以任意设置。与低通时域模式相比，这种方法的考虑因素包括没有DC项和分辨率更低。在IDFT之后，脉冲响应也不再是实函数了。
图2显示了测量结果如何变化，这取决于所使用的时域类型。决定哪个是最好的取决于与设计相关的测试需求。
图2。低通和带通时域测量的例子。
输电线路反射系数的表示
在传输线的终端处观察到的阻抗对终端有更复杂的依赖关系。因此，应测量“发电机”端阻抗与“负载”阻抗之间的关系。这被称为反射系数，表示传输线。
VNA是测量多间断传输线反射系数的理想仪器。它可以在低通时域阶跃响应中用阻抗格式转换不连续点的反射系数，也可以在低通时域或带通时域中用脉冲响应显示不连续点的真实格式。
图3是在传输线上有三个不同阻抗的例子，以及在每个不连续界面上执行反射系数计算的方程。VNA测量结果与理论计算吻合较好。在一个航空比蒂线测量的例子中，第一个反射系数的实测值为-0.331，而理论计算值为-0.333，第二个不连续界面的第二个反射系数的实测值为.288，而理论计算值为0.296。这种微小的差异是沿比蒂线能量损失的结果。
图3。在测量PCB性能时，确定传输线的反射系数表示是有价值的。
窗口函数对分辨率的影响
窗函数是一种有价值的特征，可以使测量更有效和提高精度，因为它在频域减缓频率极端值，在时域观察影响。某些VNAs提供窗口功能，以纠正测量转换为时域时可能发生的振铃。
窗口是由一个数学函数导出的曲线，该函数从频域数据中心的单位增益逐渐减少到末端的低值。这不是没有代价的，因为窗口有扩大主瓣的效果，从而降低了有效分辨率。出于这个原因，最好有一系列不同的窗口类型可用，这样就可以使用分辨率和副瓣效果之间的多个视图(由应用程序决定)。
如上所述，窗口可能会对有效的解决方案产生不利影响。为了创建最好的分辨率，可以在频域使用矩形特征。分辨率越高，上升时间越快。这样做的代价是大的侧叶，这会产生更大的振铃。当识别DUT上的多个反射中心时，旁瓣是一个问题。在这些情况下，低边叶窗函数是理想的。如果DUT在带边有小的反射，例如末端有末端的航线，则需要较高的分辨率。图4是利用矩形特征和相关侧瓣的显示器。
图4。利用矩形特征来提高分辨率的测量显示突出显示VNA的影响。
VNA中的时域门控
另一个有效的工具测量阻抗时是一个浇注函数。栅极本质上是一个时域滤波器，用于去除特定的不连续，如测试夹具、电缆或连接器。去除任何缺陷，就可以实现对微波电路性能的更真实的测量。某些VNAs允许用户轻松控制不同的门控功能及其宽度，以观察门控频率响应以及时间门控响应。
由于在测量中没有获得这些不必要的数据，因此消除了频域响应中的误差或纹波。就像在窗口中一样，VNAs需要提供门函数的选择，以便用户可以在分辨率与波纹之间选择最佳的权衡。
结果显示在频域。在时域响应中乘以门控窗口函数，并通过离散傅里叶变换将其转换到频域，可以更详细地查看和分析门控频率响应或阻抗。
结论
在新兴的高频PCB设计中，VNA具有具有高精度和可重复性的成本效益测量阻抗的能力。某些特性，包括窗口函数和时域门控，提供了工程师对其设计有信心所需的详细分析。
