Infiniband电缆组件测量夹具S参数的一致性测试

S参数测量，如插入损耗、回波损耗和频域串扰正日益成为高速数字标准电缆组件一致性测试程序的一部分。例如，当前Infiniband规范要求，电缆差分插入损耗在1.25 Ghz时，小于10 dB。PCI Express和串行ATA II及XAUI等其它标准也都有类似的测量要求。
传统S参数测量一直使用频域矢量网络分析仪 (VNA)完成。但最近几年，这些测量越来越多地基于时域反射计和传输(TDR/T) 测量来完成，其中使用TDA Systems IConnect等插入软件，把时域数据转换到频域中。这些TDR/T S参数测量技术也被称为时域网络分析 (TDNA)。与频域VNA相比，TDNA技术的优势在于其成本要低得多，一套TDNA设备和软件的成本大约只是相同性能VNA设备的一半。VNA设备提供的动态范围高，大约是100-110 dB，而TDNA的动态范围大约是50-60 dB。但是，目前一致性测量的动态范围最大约为20dB，如Infiniband或其它类似标准。如前所述，特别是Infiniband 差分插入损耗只规定了-10dB的测量要求，而使用TDNA技术可以很容易地实现这一点。

图1 使用半刚性同轴电缆夹具测量高精度微波电阻器

图2 Infiniband电缆组件和用来测量电缆的夹具的VNA测量结果。电缆在1.25 GHz时没有达到-10dB，从电缆测量结果中减去夹具插入损耗，可以把它变成测试合格的电缆。

图3 Infiniband电缆组件眼图模板测试。峰-峰抖动是31.7ps, 眼图张开是368ps。
VNA设备新增的精度并非频域固有的特点，而是通过高级校准实现的，如SOLT (短路-开路-负荷-直传)。这些校准程序在测量参考层面上要求良好检定的高精度标准。这些标准以同轴电缆(SMA, 3.5mm或其它高精度连接器)或芯片形式提供。但是，同轴电缆连接器不能接插Infiniband或其它高速数字连接器，必须使用带相应接插连接器的夹具。由于不可能在接插连接器接口上提供高精度标准，一般来说，必须根据同轴电缆连接器校准VNA，减去专用反嵌结构的测量结果，从整体测量中反嵌夹具的插入损耗。这种额外的测量工作延长了整体测试时间，再加上校准VNA仪器所需的时间，可能会加大一致性测试程序量。
在这方面，TDNA提供了一个备选方案，因为它不要求全面校准程序，允许对数据进行窗口处理。通过简单的直传参考源及在典型标准一致性测试夹具上通过反嵌插入损耗采集的直传波形，可以执行令人满意的S参数一致性测量。还可以使用开路波形参考源，从夹具中拔出电缆组件获得开路。但是，在这种情况下采用直传参考会更好，因为可以在测量中使用整个接插连接器。
这就出现了两个问题：
1. 夹具对电缆组件测量有哪些特殊影响。
2. TDNA是否提供足够的精度，在电缆组件上执行一致性测试。
首先使用简单的实例回答夹具问题。先测量高精度微波连接器的差分回波损耗，这里使用0.1%精度的微波电阻器和基于同轴电缆的半刚性夹具，如图1所示。
理论上，这种电阻器的差分回波损耗应该在-60dB左右。但在VNA测量中，反嵌夹具不太方便，因此要测量电阻器和夹具的综合回波损耗。在TDNA测量中，可以在夹具末端获得参考开路，从而从测量中反嵌夹具。
当TDNA中的设置一定时，测量会受到TDNA系统动态范围的限制。对VNA而言，需要测量的是夹具，而不是电阻器。在Infiniband电缆组件上执行VNA 测量，结果如图2所示。
图2说明了12.5m电缆组件的差分插入损耗，以及夹具上参考直传结构的差分插入损耗。这条电缆没有达到-11.6dB时的指标，减去夹具-1.66dB的插入损耗，可以把它变成勉强合格的电缆。因此，夹具会在测试合格与不合格之间起到决定性作用，所以必需反嵌夹具。
为了证明TDNA测量是准确的，要把在仪器电缆末端使用直传参考源获得的电缆测试组件TDNA 测量结果与在相同参考层面进行的VNA SOLT校准测量结果进行比较。此外，由于TDNA系统校准简便(参考开路或参考直传对基本测量已经足够了)，可以在电路板上使用参考直传轨迹作为参考源，便于反嵌夹具。这是一种速度非常快、吞吐量高的测量方法。
TDNA系统可以实现高吞吐量。可以在1~2分钟内进行TDNA电缆测量，而使用VNA时校准和测量时间则需要15~30分钟。应该指出的是，VNA还可以通过第二层校准，或通过从组件和夹具综合测量结果中减去夹具测量结果，去掉夹具的影响。这将增加更多的测试时间，但不会改变结果，即TDNA方法拥有足够的精度及更高的吞吐量。
图3所示为一个电缆组件的眼图模板测试实例。从测量中反嵌夹具，眼图模板放到张开的眼图中。图中显示了31.7ps的峰-峰抖动和368ps的眼图张开。