本文探讨了一些常见的测量参数，以及偏斜匹配的同轴组件如何增加测试设置，以提高整个差分信号表征过程的准确性。

相位稳定性意味着在特定的测试和测量应用中具有可靠的性能，这些应用要求电缆之间的频率和相位紧密匹配，并且温度、振动和挠曲的相对漂移较小。但是，在需要更严格的偏斜公差以实现更同步的分布式时钟链的情况下，相位稳定性可能不足。

斜匹配的同轴电缆专门设计用于满足差分信号应用中不断增长的数据速率需求。本文探讨了一些常见的测量参数，以及偏斜匹配的同轴组件如何能够增强测试设置，从而为整个差分信号表征过程提供更高的准确性。

高速差分信号设备表征

差分信号通常用于高速数字(千兆位)应用中，因为如果将两条线紧密耦合在一起(对于所需的差分阻抗要有足够的导体宽度)，任何噪声都会同样影响两条线。因此，与单端线路相比，过滤噪声通常要容易得多，并且可能会降低传输线路上的发射功率要求。

由非理想设备引入的共模噪声可以在接收器处被抑制。但是，存在交叉模式转换(通用至差分模式，差分至通用模式)，该转换总是由导致器件不对称的制造缺陷引起的。与任何设计、原型和测试过程一样，在生产之前必须充分识别和评估所有电气异常。信号完整性(SI)工程师可以使用许多工具来表征差分设备，而混合模式S参数是理解高速差分系统的更基本且必要的工具之一。

S参数通常使用矢量网络分析仪(VNA)进行测量，是用于设计和分析单端不平衡和差分平衡无源高频系统的极其有用的建模和测量工具。但是，RF应用中的单端、两端口被测设备(DUT)将需要2×2 S参数矩阵进行分析，而两端口差分DUT将利用4×4 S参数矩阵。图1解释了基于公共/差分输入或输出的各种混合模式S参数。

图1.该图显示了基于公共/差分输入或输出的混合模式S参数。

两端口单端S参数显示插入损耗/衰减/增益数据(S21)以及回波损耗/电压驻波比(VSWR)数据(S11)。 差分S参数可以提供差分回波损耗(例如SDD11)、插入损耗(例如SDD21)、近端串扰(NEXT)(SDD31、SCC31、SCD31)、远端串扰(FEXT)(SDD41、SCC41)和差分到共模转换(SCDxx)。该表提供了16种不同混合模式S参数的一般定义，图2说明了混合模式分析中使用的一些更具体的参数。

图2.一些重要的测量参数可以从混合模式s参数中得出。注意：列出的NEXT和FEXT参数是在端口1/2是受害端口，端口3/4是侵害端口的情况下得出的。

时域传输(TDDxx)参数在表征过程中也至关重要，特别是对于抖动分析(眼图)和串扰。 多域测试模板广泛用于测试多千兆位数字标准，例如USB 3.0、以太网和串行器/解串器(SERDES)应用。

请务必注意，单端NxN S参数矩阵与混合模式NxN S参数矩阵(图3)没有直接关系。除了使用混合模式VNA套件外，还可以通过适当的模式转换矩阵从传统的VNA Touchstone(SnP)文件中数学导出混合模式S参数。

图3.可通过模式转换矩阵将单端S参数转换为混合模式S参数。

时域分析(抖动、误码率)

时域分析可以使用示波器(在TDR模式下)、误码率测试仪(BERT)，或执行反离散傅立叶变换(DFT)以从频域(SDD21)转换到时域(TDD21)的VNA。混合模式S参数可用于表征频域中的差分通道(串扰、噪声、插入损耗等)，眼图是评估时钟抖动或信号BER的有用工具。这些都揭示了抖动、干扰和信号衰减问题。其他时域工具，例如单脉冲响应，可以揭示符号间干扰(ISI)或符号对后续符号链的干扰，这通常是由时钟抖动、噪声和串扰引起的。

随着数据速率和时钟频率的升高，抖动测试尤为重要，这会导致眼图张开缩小，并且噪声、串扰和造成抖动的各种制造缺陷的空间要小得多。此外，较短的上升/下降时间反过来又增加了高频频谱的数量，因此，直到五次谐波，仍然经常会有相当多的能量。例如，20 Gb / s的数据速率将与10 GHz的时钟频率相关，这将需要50 GHz的带宽(BW)来显示五次谐波内容(从而提高时域的分辨率)。

对于异常高的数据速率应用，带宽等式(等式1)通常可以成功恢复信号的上升/下降沿。这大大降低了测试设备的带宽和动态范围要求。

其中BW是带宽，而τR是上升时间。

在这些情况下，VNA可以成为多域分析和更直接的通道表征的多合一工具。但是，使用精密的同轴组件，尤其是倾斜匹配的同轴组件，并采用适当的方法消除测试夹具所引起的误差，会增加获得测试设备能够进行的最精确测量的可能性。

延迟匹配的同轴电缆用例

现代高速数字通信系统依赖于往返于发送器或接收器的信号的精确定时。示例包括用于高速I / O信号传输的SERDES以及在USB 3.1、多千兆位以太网和PCI Express等高速接口中发现的通用差分测量。

测量通道信号完整性

时序裕度的生成通常在设计和仿真级别通过表征“飞行时间”(互连延迟)的串扰、抖动、偏斜和电磁仿真来完成。但是，使用测试仪器进行物理测量对于获得更准确的信道损耗评估也可能是必需的。可以仔细揭示系统中的缺陷或“病态”，以实现更好的设计和边距优化。

测试台自然需要使用其他测试夹具和电缆/连接器才能到达测试设备。如果这些附加组件的信号完整性(SI)特性较差，则可能会使隔离抖动、偏斜或串扰源的过程复杂化。通常只能通过引入具有良好SI品质的结构来识别此类问题。这包括使用偏斜匹配的电缆来减轻差分测试系统内的偏斜。

纠错和固定装置/电缆去除技术

IEEE P370团队的任务是创建一个工业标准，以表征高达50 GHz的高频电气互连。在某种程度上，这是通过一系列建议措施来实现的，这些措施可以防止测试夹具和DUT电缆的去嵌入不正确，从而反过来导致S参数测量不准确。这些不准确的测量值可能会在不知不觉中分布，而在发布数据之前，没有IEEE标准来检查S参数的质量。

单端系统的典型校准需要短路、开路、负载和(一个)直通，才能将测量平面带到DUT(预测量误差校正)。在利用差分信号的DUT中，用于预测量误差校正的PG370标准要求将2X-thru定制为测试夹具(即相同的PCB面板、层、层过渡、PCB方向和电气长度)。

即使使用更精确的测量后定制专有算法进行去嵌入，测试夹具的去除也会给测量增加误差，损害时序裕度和DUT的优化。例如，S参数去嵌入的过程本身很大程度上取决于S参数行为模型5的准确性。没有抖动匹配的同轴电缆时，诸如抖动特性之类的时域测量在各个测量中的一致性可能会较低，因为抖动指标可能会直接受到电缆组件之间延迟不匹配的影响。

需要倾斜匹配的同轴电缆

通常，用于高速、差分组件的测试夹具要包括较短长度的微型同轴电缆或半刚性电缆，以确保一定程度的延迟匹配。但是，由于不灵活或缺少到达测试设备所需的长度，此类电缆经常会阻碍测试能力。

不幸的是，简单地替换/扩展两个看似相同长度的同轴组件并不能可靠地完成低至皮秒级的偏斜匹配。即使进行相位跟踪或以一致的材料、制造方法和温度调节进行受控制造，以在同轴电缆生产线上保持几乎一致的性能，这一点仍然适用。倾斜匹配的同轴电缆需要更多的人为维护，包括精确的切割和连接器连接以及相应的测试，以实现较高的精度。

相稳定同轴电缆虽然高效且通常非常重要，但更常用于单端端口系统。延迟不匹配的问题仅在以下情况下加剧：

l 在高达毫米波的波长下进行测量

l 使用更长的偏斜匹配同轴电缆进行测量

l 电缆进行T&M时半弯曲

制作斜匹配的装配时的注意事项

相稳定同轴

一组歪斜匹配的同轴电缆必须分别独立地保持相位稳定，以便能够在两个组件之间保持皮秒级的延迟。由于固有的损耗源(例如介电损耗正切、介电导通、金属损耗)，同轴电缆将始终呈现出插入损耗(S21)。

另一方面，相位/时间延迟(与相位(S21)有关)本质上取决于电缆的物理长度以及介电材料的介电常数或相对介电常数(εr)，两者都取决于与温度有关(公式2)。随着介电常数的降低，线性热膨胀系数(CTE)通常会随温度而增加。与绝缘材料相比，电缆的长度通常由金属材料固定，这是由于其硬度所致，因此内导体和外导体的CTE与理解随温度变化的长度更相关。

相稳定同轴电缆的设计本身就是一门科学，特别关注稳定电介质材料的使用。许多技术涉及将空气引入电介质。低密度泡沫材料在整个温度范围内表现出更低的插入损耗和更高的相稳定性，从而将传播速度(Vp)提升至75%至80%。然而，这样的材料在材料的整个长度上提供了较小的总体机械强度和较小的一致介电常数，这意味着在材料强度(弹性模量)和相对介电常数之间的平衡作用。随着同轴电缆整体机械应变的降低，相稳定性也会提高。

高度相稳定的同轴电缆通常会相对较细，以减轻弯曲过程中垂直于电缆的弯曲力。此外，通常在连接器和传输线之间添加应力消除套，以缓冲弯曲期间来自硬连接器套圈和较软同轴电缆的力(图4)。为了在许多相稳定电缆上保持相位跟踪，温度调节或老化可降低同轴电缆在整个使用寿命内温度波动期间相位发散的风险。

图4.显示的是一对倾斜匹配的同轴电缆。

制作两条几乎“相同”的电缆

制作一对几乎相同延迟的电缆意味着在两种介电材料之间保持相似的Vp值，并为它们之间的微小变化(1-2%)调整长度。当然，随着电缆长度的增加，这会变得更加棘手，因为更长的长度会扩大两条电缆之间变化的窗口。介电常数也随着频率增加而降低。

毫米波、歪斜匹配对具有更大的带宽，可以紧密匹配介电常数行为，从而可以延时。延迟匹配或偏斜匹配的一对同轴电缆的精度取决于切割的质量、连接器的连接以及优化每个单独组以确保相位稳定性的注意事项。最重要的是，批量测试可能不足以持续实现1到5皮秒的通道间延迟匹配。因此，每组电缆都必须在歪斜匹配的同轴电缆生产线上进行100%的可靠性测试。

结论

偏斜匹配的电缆组件在表征高数据速率、差分信号应用中特别有用。随着测试设备、探针和固定装置的大量使用，连接到测试设备的无源传输线可以增加或减少测试设置的完整性。为了确保两条同轴传输线之间的紧密偏斜匹配，必须进行重要的设计考虑，从而使通道间延迟匹配看起来不那么直接。