网络分析仪是否能能用2端口替代4端口呢?
在高速电路设计中,电路基本都是差分结构存在的。在测试差分线损耗的时候,就会使用到网络分析仪。由于网分有2端口的网分,也有4端口的网分,还有多端口的网分,相同带宽的网分,通常,端口数越多,价格越贵。当然,4端口的VNA比2端口的肯定会贵不少。那么,有的老板为了节约成本,就会让工程师小伙伴用2端口的网分去测试差分对,差分对是4端口的,那么是否真的可以这样使用呢?这就引出了今天要和大家讨论的这个问题:有人问到是否可以用2端口的网络分析仪(VNA,简称网分)代替4端口的网络分析仪(VNA)测试差分对损耗?接下来就和大家一起通过ADS仿真实验分析下,到底是否能能用2端口替代4端口呢?
如果没有耦合,那么差分对的差分插入损耗与每一条单端线的损耗相同。这个可以从差分插入损耗和单端S参数的关系看出来:
SDD21= 0.5 x(S21-S41+S43-S23)
没有耦合的时候,远端串扰S41和S23都为零,假设差分对的两段单端是相互对称,并且一致的,显然,SDD21=S21。从这里看出来,确实可以用2端口的网分代替4端口的网分进行测试。
为了验证这个结论,下边使用ADS进行仿真以验证。为了与实际的情况相似,用50ohm的阻抗线进行仿真,计算得到的传输线的线宽为7.12mil。
在ADS中建立仿真拓扑结构,
仿真结果如下:
显然,仿真结果与理论推导是吻合的。有的小伙伴可能会笑了,这难道真可以用2端口代替4端口么。
其实不要着急,前面的实验是假设没有任何耦合的前提下得出来的结论。因为只要是差分对,就不可能不存在耦合,否则差分对的意义就没有了。所以,接下来,我们还要分析差分线有耦合时的情况。
为了接近前面的完全没有任何耦合的情况,我们假设差分线间距达到100mil(是线宽的约14倍)。其差分阻抗约为100ohm。
仿真拓扑结构如下:
仿真的结果如下所示:
很显然,尽管单端损耗与差分损耗的差异非常小,但还是存在了差异。由于差分间距非常大,很显然,其PCB上真实的情况不会这么大。所以,通过扫描差分对间距,可以观察其结果的变化情况,仿真的拓扑结构不变,只是把间距设置为变量Space,如下图所示,
起始值为线宽值的大小7.12mil,步长也为线宽的大小7.12mil,终止值100mil,分别获得的结果如下:
从以上仿真结果可以分析出,至少要达到11倍线宽的时候,其单端损耗和差分损耗才会相差不大。而一般PCB上的差分布线很少超过2或者3倍线宽的,所以,对于PCB上的高速信号而言,就不要为了节约成本,而牺牲数据的准确性了。
以上,只讨论了损耗,如果用2端口的网分,还无法同时测试出差分信号之间的串扰。
所以,结论已经告诉了您:在测量高速PCB的损耗时,不能用2端口的网分代替4端口的网分。
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