一文说懂什么是VNA？

FPGA

矢量网络分析仪必须产生多种频率和幅度范围内的入射波，同时还要分离和测量跨多个测试端口的入射波和反射波。了解每个被测设备（DUT）端口在特定位置的入射波和反射波非常重要，因此会进一步增加复杂性。
图1是两端口VNA的简化框图。VNA用可调振荡器激励有源入射端口，该振荡器通过终接微波开关在两个端口之间多路复用（未使用的端口连接到50Ω）。振荡器同时驱动DUT和参考接收器（通过功率分配器）以实现入射波功率测量。

图1：简化的两端口VNA框图

每个端口上的定向耦合器将反射波与入射波分开，其中反射波被馈送到三个测量接收器。所有三个接收器都以这样的方式同步，使得可以直接测量波量的相对相位。
通过在所需的起始和终止频率之间扫描振荡器，同时捕获接收器的每个幅度和相位，并一次激活一个端口，即可进行测量。
如前所述，在每个DUT端口的特定位置测量入射波和反射波很重要。此位置称为参考平面，对成功进行测量至关重要。设置参考平面并最小化误差项的过程称为校准。
VNA在测量模数转换器（ADC）时有一个明显的局限性：它不会说数字。由于ADC的输出数据流是数字的，因此将VNA的测量结果与ADC的捕获数据结合起来以计算将模拟域转换为数字域的S参数需要一种临时方法。
让我们看一下S参数测试治具的外观，以及如何划分和征服构建模型所需的测量。

设计满足苛刻的要求？

最快的ADC满足未来测试和测量应用的要求。

ADC S参数测试治具的结构
图2显示了使用VNA测量ADC的S参数测试夹具，包括ADC的差分同轴输入，与现场可编程门阵列（FPGA）的高速数据连接，捕获卡和同轴校准结构。
与频率响应相比，测量输入阻抗特性需要不同的校准和测量方法。最终，我们需要两次测量来构建S参数模型，但让我们从输入阻抗开始。

图2：简化的ADC S参数测试夹具

校准VNA以进行输入阻抗测量是一个两步过程

使用精确的短路，开路，负载和直通（SOLT）标准将参考平面移至同轴测试电缆的末端。
补偿测试夹具连接器和传输线互连的电气长度和损耗。

我们使用了VNA的自动端口扩展功能，该功能使用测试夹具上的反射结构将校准平面移至DUT的输入端子。这种结构是一条无端接的传输线，其长度与ADC的输入互连长度相同。请注意，虽然端口扩展是一个近似值，但是事实证明，替代方法太复杂了，不足以证明准确性的小幅提高。
测量ADC的差分输入阻抗
在本文中，我们对ti的高速ADC器件ADC12DJ3200进行了测量，该器件在双通道模式下的最高运行速度为3.2 GSPS，在单通道模式下的最高运行速度为6.4 GSPS，输入带宽约为8 GHz。图3显示了用于测量输入阻抗的VNA设置。
使用Rohde and Schwarz ZVA24 VNA进行设备测量。该仪器支持单端和差分测量（称为真差分），其中VNA通过平衡信号同时激励两个端口。由于ADC输入是无反馈的无源，因此测量了每个端口的单端输入阻抗。

图3：ADC输入阻抗测量设置

测量单端输入阻抗后，结果转换为差模阻抗。图4显示了是德科技高级设计系统（ADS）中的设置，该设置跨两个单端端口连接了一个100Ω端口以进行仿真。

图4：差分输入阻抗的仿真设置

图5以对数幅度和史密斯圆图格式显示了所得的阻抗。

图5：差分输入阻抗仿真结果

那么这些情节是什么意思呢？对数幅度（乘以-1时也称为回波损耗）仅为10∙log 10（S 11），它表示阻抗与Z 0的匹配程度。回波损耗> 20 dB通常被认为足够好，而> 10 dB是可以接受的。对于小于10 dB的回波损耗，有必要对窄带系统进行匹配，或者对宽带系统进行衰减，以防止由驻波引起的明显纹波。
史密斯圆图将复数阻抗映射为极性格式。史密斯圆图的使用本身就是一个完整的话题，但是这里有一些提示。图表的上半部分表示电感性阻抗，下半部分表示电容性阻抗。穿过曲线中心的线没有电抗分量，表示纯电阻性阻抗。曲线的中心点表示Z 0的阻抗（在这种情况下为100Ω），与中心的距离表示反射系数的大小。
对于ADC12DJ3200，观察到回波损耗随频率的增加而逐渐降低，并且器件寄生效应占主导地位。史密斯圆图表明，在低频时，阻抗略为电容，并且随着频率的增加，电感和电容值均呈螺旋状增长。
ADC如何从电容性变为电感性，再回到电感性？当在参考平面和实际负载之间插入传输线时，这种螺旋响应很常见（实际负载随频率的增加而降低）。这里，传输线是器件球在封装球和ADC管芯凸块之间的布线。
图5突出显示了校准对于有用的S参数模型的重要性。我们在ADC封装焊球处定义了参考平面，因此该模型可用于设计印刷电路板（PCB）。如果在测试夹具连接器上定义了参考平面，则我们将测得完全不同的复阻抗与频率的关系。结果模型将具有相似的回波损耗，但复阻抗将完全不同。这将使该模型无法用于PCB设计。

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