差分電路可以有效地去除高頻、高速設(shè)計(jì)中的共模噪聲。差分器件和傳輸線(xiàn)不僅常被用于高速數(shù)字總線(xiàn)設(shè)計(jì)，而且也被用于包括手機(jī)在內(nèi)的許多射頻和微波產(chǎn)品中。與測(cè)試傳統(tǒng)的單端器件相比，測(cè)試差分器件和傳輸線(xiàn)需要更多的測(cè)試端口。Anritsu(安立)公司的12端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)能夠?qū)ぷ髟?40~65GHz頻率范圍內(nèi)的單端信號(hào)、混合模式和差分器件進(jìn)行散射參數(shù)(S參數(shù))測(cè)試，非常適合高速器件和系統(tǒng)的信號(hào)完整性(SI)測(cè)量。

Anritsu的12端口65GHz系統(tǒng)由一個(gè)型號(hào)為37397D的雙端口VNA系統(tǒng)、一個(gè)外部測(cè)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(cè)試端口可以緊靠任何形狀的被測(cè)設(shè)備(DUT)放置，從而使得該測(cè)量系統(tǒng)與晶圓探測(cè)系統(tǒng)一起使用時(shí)能發(fā)揮強(qiáng)大功能。適用于4、8和12端口應(yīng)用的測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)功能得到了PAF公司的一款靈活的校準(zhǔn)和測(cè)量軟件的支持。這個(gè)功能強(qiáng)大的軟件可以幫助操作人員應(yīng)對(duì)最困難的多端口測(cè)試，包括晶圓級(jí)測(cè)量。針對(duì)具有144個(gè)S 參數(shù)的復(fù)雜測(cè)量，這個(gè)12端口VNA系統(tǒng)和軟件支持一個(gè)精確的78項(xiàng)錯(cuò)誤模型，帶有至少有17條連接。

VNA傳統(tǒng)上常被用來(lái)對(duì)單端50Ω元器件進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量，但隨著數(shù)字通信系統(tǒng)和總線(xiàn)速度、頻率的提高，多端口混合模式S參數(shù)已經(jīng)成為分析高速數(shù)字信號(hào)線(xiàn)、總線(xiàn)和器件信號(hào)完整性(SI)的有效工具。例如，VNA可以直接測(cè)量高速通道上的串?dāng)_。雖然高速背板中設(shè)計(jì)的通道相互之間是獨(dú)立的，但它們經(jīng)常受到高速/ 高頻信號(hào)通道之間串?dāng)_的影響。對(duì)于USB3.0或第3代PCI Express等速度已經(jīng)超過(guò)10Gbps的數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，12端口65GHz VNA測(cè)試系統(tǒng)可以在全速狀態(tài)下提供有意義的信號(hào)完整性測(cè)量，能為多通道同時(shí)測(cè)量提供必需的測(cè)量端口。

除了高速背板，越來(lái)越多的無(wú)線(xiàn)元器件和設(shè)備也采用差分(平衡的)架構(gòu)來(lái)減少電磁干擾(EMI)的影響。雖然4端口VNA系統(tǒng)可被用來(lái)測(cè)量單個(gè)差分通道或器件，但更復(fù)雜的元器件需要更多數(shù)量的測(cè)量端口。事實(shí)上，對(duì)高速傳輸線(xiàn)進(jìn)行單端測(cè)量可能產(chǎn)生性能降低的錯(cuò)誤結(jié)果，因?yàn)檫@些傳輸線(xiàn)是針對(duì)差分信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)的。

對(duì)高速背板而言，相鄰差分通道間的串?dāng)_會(huì)降低其性能。在一對(duì)差分通道中，產(chǎn)生串?dāng)_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?dāng)_影響的相鄰?fù)ǖ辣环Q(chēng)為被干擾通道(被干擾線(xiàn))。為用VNA系統(tǒng)分析兩個(gè)差分通道的串?dāng)_，干擾線(xiàn)需要4個(gè)測(cè)試端口，被干擾線(xiàn)需要4個(gè)測(cè)試端口。當(dāng)然，在多通道通信系統(tǒng)或多組差分線(xiàn)中，一對(duì)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?dāng)_通常更有實(shí)際意義。因?yàn)槊扛€(xiàn)需要4個(gè)測(cè)試端口，所以共需要12個(gè)測(cè)試端口。

構(gòu)建12端口VNA系統(tǒng)有好幾種架構(gòu)可供選擇。下面介紹的兩種架構(gòu)都以基本的雙端口VNA系統(tǒng)為基礎(chǔ)，這種雙端口VNA系統(tǒng)通常采用一對(duì)采樣器，并且每個(gè)端口上都有一個(gè)雙向耦合器，以測(cè)量這些端口上的突發(fā)事件和反射信號(hào)。在第一種設(shè)計(jì)中，通過(guò)為每個(gè)額外測(cè)試端口增加一對(duì)采樣器和相關(guān)的高頻硬件來(lái)增加端口數(shù)量。這種方法雖然比較簡(jiǎn)捷，但會(huì)大大增加測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。在第二種方法中，為從雙端口系統(tǒng)為起點(diǎn)創(chuàng)建具有更多端口的VNA系統(tǒng)，需要在雙端口 VNA中增加開(kāi)關(guān)矩陣，以便將信號(hào)路由到原始的測(cè)試端口。雖然這種方法對(duì)開(kāi)關(guān)矩陣的性能又很高要求，但與第一種方法相比復(fù)雜性較低，成本也更低。 Intel公司的研究表明，當(dāng)采用正確的校準(zhǔn)技術(shù)時(shí)，基于這種系統(tǒng)架構(gòu)的多采樣器測(cè)試系統(tǒng)具有相當(dāng)高的精度。

圖1：12端口VNA系統(tǒng)能對(duì)40~65GHz頻率范圍內(nèi)的混合模式和差分器件進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量。

Anritsu(安立)公司的12端口65GHz系統(tǒng)(圖1)基于4端口測(cè)量引擎，這個(gè)4端口測(cè)量引擎采用毫米波頻率的開(kāi)關(guān)矩陣將信號(hào)從遠(yuǎn)程端口模塊路由到4個(gè)測(cè)試端口，從而增加了測(cè)量端口的有效數(shù)量。由Anritsu公司設(shè)計(jì)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(jī)械開(kāi)關(guān)和固態(tài)(PIN二極管)開(kāi)關(guān)。電子機(jī)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(yùn)動(dòng)部件導(dǎo)致元件的平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)較短，并且性能可重復(fù)性也較低。PIN二極管支持?jǐn)?shù)百萬(wàn)的開(kāi)關(guān)次數(shù)，具有卓越的可靠性，但缺少機(jī)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(xiàn)的缺點(diǎn)，Anritsu開(kāi)發(fā)出了一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)充分整合了機(jī)械開(kāi)關(guān)的電氣性能和固態(tài)開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)驗(yàn)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(cè)試端口內(nèi)靠近DUT放置高性能耦合器有助于優(yōu)化原始的定向性。