隨著資料傳輸率不斷提升，工程師在使用向量網路分析儀時，應特別注重頻率範圍的選擇；頻率範圍不僅會影響定位缺陷能力及模擬實測的誤差，也會影響在成本及效能評估上的準確性。
日益提升的資料傳輸速率為測試解決方案帶來新挑戰，數個高達20+Gbit/s高速傳輸標準(表1)更將使測試頻率上限推升至70GHz、甚至是110GHz。除了在選擇灌孔、疊構和接頭中心針相關設計取捨外，還須要進行準確量測才能深入了解與印刷電路板(PCB)上的集膚效應(Skin Effect)和介電損耗相關的新挑戰，而在這些量測中，能夠準確蒐集更高階的諧波(Harmonic)頻率等數據尤其重要。
使用向量網路分析儀(VNA)評估背板和互連產品(Interconnects)時，最基本的考慮因素之一，為該在什麼頻率範圍內進行S參數測量。頻率範圍選擇不僅影響定位缺陷的能力以及模擬與實測之間的誤差，也會影響在成本/效能評估上做出合理決策的能力。本文將闡述高頻率及低頻率測試極限的重要性，以及其對於時域量測結果的影響。
當位元速率增加時，評估背板和互連產品傳輸特性的頻率上限也將隨之提高。基本上，愈高的速度會轉換為執行不歸零(NRZ)時脈頻率的第三階或第五階諧波量測所需的頻率。例如，在28Gbit/s的資料傳輸速率下，S參數掃描的終止頻率將為42GHz或70GHz。
圖1所呈現的是一個14GHz方波頻譜，它是28Gbit/s不歸零訊號的時脈頻率，這個例子是訊號通過接頭/電纜組件後的頻譜。時脈頻率諧波衰減後會使訊號失真，理想情況下至少須量測至第五階諧波，因此須要在更高的頻率下對傳輸介質的頻率響應進行量測。
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| 圖1 28Gbit/s NRZ時脈訊號的諧波含量 |
數據頻率上限影響模擬穩定性
因果關係(Causality)則提供對較高量測頻率需求的另一個思考角度。此處所謂的因果關係是指電路輸出現象應發生在觸發時間(t=0)之後。當不良的S參數數據轉換至時域，以供電路或其他模擬中使用時，就可能造成輸出現象，發生在觸發時間之前(t<0)缺乏因果關係的狀況。無因果關係(Non-causal)的S參數數據可能導致模擬無法收斂為一個解答，或結果不準確等模擬不穩定的現象。
而數據頻率上限過低則是造成S參數數據品質不良的原因之一。在理想因果關係下，S參數數據可用範圍需為直流(DC)至無窮大，然而這並不切合實際。圖2顯示的是時域分析中，分別使用頻率上限為40GHz和110GHz的S參數數據計算得到的結果。
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| 圖2 不同數據及頻寬的無因果關係的結果 |
如圖2所示，對40GHz而言，在激發時間前(t<0)(無因果關係)所損失的能量相對較大，即便像圖2垂直刻度這麼小的能量等級，也可能對許多模擬結果造成相當影響。
理論上，改變頻域資料可以減少上述問題，但卻可能導致裝置原有性能產生變異等潛在問題。因此，盡可能使用較為寬廣的頻率範圍並避免重現性與相關失真掩蓋量測的結果，無疑是較為安全且準確的作法(例如，待測物開始產生有效的輻射現象，量測結果便會與其周遭環境有關)。在高階模擬中，為研究較快速且較為複雜的暫態現象，取得更為寬廣頻率範圍的數據需求更加迫切。
除數據頻率上限將影響模擬的穩定性，已如前述，對訊號完整性應用而言，能夠準確地測量極低的頻率亦同等重要。
近直流測量達成模型準確性
模型準確性通常可以透過向下測量到盡可能接近直流的程度來改善。例如，為計算出背板眼圖特性而將量測背板S參數數據饋入軟體模型，圖3顯示在低頻數據存在某種錯誤下的眼圖特性計算結果。
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| 圖3 在10MHz時插入0.5dB損耗誤差，眼圖顯示為關閉狀態。 |
從本例中可發現在較低頻率(<10MHz)下傳輸引入的0.5dB誤差使得原本85%打開的眼圖變為完全關閉的眼圖。模型準確性取決於設定和校正而定，而在低頻率下的不確定性將會更高，並造成眼圖失真。
圖4顯示出當低頻量測數據品質良好且於頻率向下延伸至70kHz時所生成的眼圖。此狀況下計算出的眼圖已與圖5中使用示波器所量測到的實際眼圖十分接近。由於示波器上量測的眼圖即包含低頻率行為，因此能計算低頻率S參數數據的敏感度頗具意義。
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| 圖4 擁有低至70kHz的正確的S參數資料顯示85%打開的眼圖。 |
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| 圖5 在示波器上量測的眼圖，用來驗證正確的S參數所計算出的眼圖結果。 |
一般而言，低頻率插入損耗較小，而一個較大且固定dB值誤差的破壞性可能特別大，這往往也是造成網路分析儀量測不確定性的原因之一。
時域取決於上下限頻率數據的分析
被動元件以及子卡之間近端和遠端的位置必須在頻域和時域中進行量測，確保每個量測位置點的傳輸特性符合標準。使用最佳解析度功能可以增進定位不連續點、阻抗變化以及串音干擾問題的能力。
執行定位缺陷時，向量網路分析儀中的時域效能至關重要。一般而言，頻率掃描的範圍越廣，時域解析度越高，進而空間解析度也越高。圖6清楚顯示使用較廣頻寬上所截取出的S參數數據的優勢。
欠缺良好的低頻S參數數據可轉換到時域的狀況，亦將對沿著阻抗線進行的阻抗變化量測或模擬模型的建置，造成進一步的困擾。低通時域模式需要一組起始於盡可能低的頻率準諧波相關的頻率，在此模式下，解析度將達到最大化，並且可以測量背板上的阻抗變化。
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| 圖6 40GHz與110GHz的數據是在終端為短路的測試設備上進行量測，清楚地顯示出較廣頻寬的時域解析度之優勢。 |
被近似後(Extrapolated)的直流項可提供相位參考，以計算出不連續點的真實性。因此，起始頻率越低，直流項近似值越佳。
圖7顯示直流項近似值將因不同的最低頻率量測截止點而產生顯著差異。若分析儀最低起始頻率為f1，則近似法預測出的直流項將會在圖中實心橢圓的位置；而一組更接近0Hz(f2)的數據，將可產生更好的直流近似結果。
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| 圖7 根據測量的S參數數據進行的直流項近似結果 |
不良的直流近似項將會使待測物產生錯誤的結果。圖8顯示反射係數在步階阻抗變化的情況。在200微微秒(ps)之前，線路阻抗為50歐姆(Ω)、之後為零歐姆。由圖中可清楚看到，在不佳的直流近似法下，50歐姆段在其長度上顯示傾斜阻抗，而在良好的近似法之情況下，50歐姆線則顯示正確。
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| 圖8 不良的直流近似法對時域結果的影響 |
向量網路分析儀頻率上下限 攸關測試設備準確性
綜上所述，理想向量網路分析儀要擁有極低的起始頻率並有較高的終止頻續，因應位元速率和因果關係的需求。向量網路分析儀透過定向設備對發送和反射訊號取樣，進行各種比值的量測，進而計算出S參數。
一般而言，微波耦合器的定向設備最廣為使用，但可惜的是，在較低頻率(比如低於1GHz)下這些裝置的耦合特性會降低，因此將降低在較低頻率下量測的動態範圍，且造成量測結果的不確定性。
橋接器不依賴純粹的幾何長度(單位：波長)來實現耦合，而是在低頻和高頻下分別使用組合式阻抗源和分布源來實現耦合現象，故能在低頻下發揮與微波耦合器一樣的效果，且不會有整體效能下降的疑慮。
安立知(Anritsu)VectorStar向量網路分析儀系列提供混合式量測解決方案，其較高頻率採用耦合器的基本架構，在較低頻率下則是使用橋接器的耦合裝置，以達到最佳的訊號完整性應用。
由於資料傳輸速率增加，為要求訊號完整性，工程師須要持續追求更寬廣的頻率範圍以及維持測試設備的準確性，向量網路分析儀針對高傳輸速率的挑戰發揮關鍵作用，以協助其能夠在成本/效能方面做出適當評估。選擇向量網路分析儀時，使用者應著眼於能夠提供最大頻率上限及最低的下限，才可發揮最大效用。