高速背板连接器测试校准技术研究

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针对高速背板连接器 PAM4 性能测试校准的问题, 对比分析了几种高速背板连接器的测试校准技术,重点论述了采用 AFR 校准技术进行夹具去嵌的解决方案。选取了典型的高速背板连接器进行了测试验证, 解决了非同轴夹具去嵌的问题, 提高了测试精度, 具有较强的可操作性。

2.1

随着大数据的日益普及, 核心网传输带宽需求每年均有大幅度的提升, 因此传输技术也需要进一步发展以适应这样的市场需求。当前进一步提升带宽的思路主要包括 4个方面:

  1. 进一步提升信号速率;
  2. 增加传输链路的数量;
  3. 在相同的时间窗口内增加信息量 (提升同一个字符中携带的数据字节数量);
  4. 四阶脉冲幅度调制 ( PAM4 :Pluse Amplitude Modulation 4 ) 信号是下一代高速信号互连的一种热门传输技术。

高速连接器快速发展的同时, 也带来了高速测试校准的问题。传统的高速连接器、 射频组件测试采用的是同轴接口, 可以准确地测试产品的 S 参数;高速背板连接器需压接在高速测试夹具上, 而测试夹具为非同轴接口, 所以如何获得非同轴元器件的准确 S 参数, 成为微波研发生产人员迫切需要解决的问题 。

1  传统的测量方法

目前高速测试夹具校准主要有短路 - 开路 - 负载 - 直通( SOLT : Short-Open-Load-Through ) 校准技术、 直通 - 反射 -线路 ( TRL : Through-Reflect-Line ) 校准技术和自动端口延伸 ( APE : Automatic Port Extension ) 校准技术, 以下先简单地分析一下这 3 种传统的夹具校准方法。

a ) SOLT 校准方法

SOLT 校准方法是矢量网络分析仪的标准校准方法,SOLT 校准通常包括短路、 开路、 负载和直通几个步骤。在SOLT 校准过程中通常采用的是同轴标准校准件, 而传统的SOLT 校准方法使用 12 项误差修正模型, 可以校准修正 12项误差, 但是采用 SOLT 标准只能校准到如 SMA 、 TNC 、N 、 3.5 mm 、 2.92 mm 和 2.4 mm 等标准同轴接口端面, 到同轴端面截至, 而高速背板连接器通常为非同轴接口, 采用 SOLT 无法去除测试夹具所带来的测试误差, 所以一般不采用 SOLT 校准技术对高速背板连接器进行测试校准。

b ) TRL 校准方法

TRL 校准方式是目前业内普遍使用的一种校准方法,适用于非同轴测试夹具的校准。TRL 校准通常包括直通( Through )、 反射 ( Reflect ) 和延迟线 ( Line ) 3 个步骤 ,在设计测试夹具前, 需要采用专业仿真软件对测试夹具进行仿真, 测试人员需根据实际应用情况精确地设计出与应用板性能参数相一致的测试夹具, 包括所用材料的介电常数、 线长、 线宽和间距等参数。TRL 校准可以校准到非同轴端面产品的测试参考平面, 如图 1 所示。TRL 测试夹具需要专业的技术人员进行设计, 但是, 由于测试夹具与实际应用板设计不同, 性能参数一致性控制比较困难, 同时反复测试也会导致夹具上的连接器磨损而影响到校准结果。

2.2

图 1 TRL 校准原理

c ) APE 校准方法

APE 校准技术是在矢量网络分析仪标准 SOLT 的基础上延伸出来的一种校准技术, 通常校准件为同轴校准件,在校准完成后, 将不安装样品的测试夹具连接到矢量网络分析仪的测试端口, 然后打开矢量网络分析仪的 APE 功能,以测试测试夹具所带来的损耗和时延数据, 以补偿的方法来解决测试夹具所带来的测量误差, 这种方法较为简单,具有操作简单、 实现容易等优点, 同时具有测试精度低、无法修正由于夹具不匹配所带来的失配误差等缺点, 因此,其主要应用于一些精度要求不高的场合,对于测试精度要求较高的高速背板连接器,APE 校准方法无法满足测试要求。

2  自动夹具移除测试方法

 自 动 夹 具 移 除 ( AFR : AutomaticFixture Removal ) 校准技术是近几年涌现的一种新型校准技术, 可以准确地提取测试夹具的 S 参数, 通过嵌入测试夹具 S 参数的方法, 去除测试夹具所带来的误差。 这种校准技术与 TRL 校准技术一样, 具有较高的测试精度, 测试夹具设计时无需精确计算介电常数、 线长、 线宽和间距等参数,只需在被测样品测试前测试测试夹具的 S参数即可, 在测试夹具制作方面更加容易实现。

AFR 校准技术与 APE 校准技术类似,在标准 SOLT 校准的基础上, 将未压入背板连接器的测试夹具接入矢量网络分析仪, 通过 AFR 软件测试夹具的 S 参数, 然后将背板连接器压入测试夹具, 在性能测试前, 先在 AFR 中导入之前测试的测试夹具 S 参数文件, 然后进行测试, 即可完成测试夹具去嵌。AFR 的步骤如图 2 所示,具体内容如下所述:

  1. 首先, 借助时域的方法去求解 S 11A 与 S 22B , 再根据求解结果求解夹具的 S 参数特性;
  2. 然后, 通过软件提取所需的参数;
  3. 最后, 求解完成后可以直接获得夹具的去嵌入 S 参数, 用于抵消夹具的影响。

2.3

图 2 AFR 测试步骤图

在对高速背板连接器进行传输性能测试时, 通常会将背板连接器压入测试夹具中, 而测试夹具的阻抗不连续性,会影响被测件的测试结果, 从而造成测试结果的不准确性,如图 3 所示, 测试曲线由 SMA 连接器曲线、 测试母板曲线、 测试子板曲线和高速背板连接器曲线组成。阻抗不连续主要在 SMA 连接器与测试板之间、 测试板与背板连接器之间。传统的 APE 校准技术无法对高速背板连接器和测试夹具这种阻抗不匹配的情况进行 S 参数提取, 只能进行阻抗匹配情况下的测试校准。所以本文选择 AFR 校准技术进行测试校准。

2.4

图 3 高速背板连接器阻抗曲线

2.1 测试夹具仿真

在性能测试之前需对测试夹具进行仿真设计, 测试夹具上的 PCB 走线相对于其他传输线,在传输横电磁波时, 电磁场围绕着内部导体分布于上下参考面内。PCB 直线一般采用微带线,为了与测试系统以及背板连接器阻抗匹配, 微带线设计为 50 Ω , 则测试板差分阻抗设计为100 Ω , 通过软件仿真, 形成如图 4 所示的测试夹具仿真图。

2.5

图 4 测试夹具仿真图

结合产品的性能参数, 通过软件仿真, 可以计算出测试夹具的仿真数据、 特性阻抗和插入损耗仿真数据, 如图 5所示。

2.6

2.7

图 5 测试夹具仿真数据

2.2 测试验证

本文选取了国内的一款高速背板连接器进行 PAM4 眼图测试, 其传输速率为 20 Gbps , 接触件设计为鱼眼形状,插头部分与 PCB 测试板平行压接于 PCB 板焊盘上, 插座部分与 PCB 测试板垂直压接于 PCB 板焊盘上。当进行测试时, 两个 PCB 测试板垂直连接。而测试夹具上所采用的每个 SMA 接头具备两个螺丝孔, 可以用螺丝固定在 PCB 板上。由于 SMA 接头分布并不均匀, 所以 PCB 板中差分对传输线多采用蛇形走线。

在高速背板连接器中随机选取一对差分对接触件进行PAM4 眼图测试, 将测试板连接测试系统, 设置摆幅电压为900 mV , 传输速率为 10 GBaud , 码型为 PRBS13Q , 码长为231-1 , 在没有采用 AFR 校准技术将测试夹具去嵌之前,测试结果如图 6 所示。

2.8

图 6 夹具去嵌前 PAM4 眼图

从图 6 中可以看出, 3 个眼线性度较好, 眼高和眼宽由于测试夹具未去嵌的原因, 性能指标不是较好, 眼图的清晰度较差。采用 AFR 校准技术进行校准后, 对同对差分对进行眼图测试, 测试结果如图 7 所示。

2.9

图 7 采用 AFR 校准后 PAM4 眼图

从图 7 中可以看出, 采用了 AFR 校准技术后, 线性度、 眼高和眼宽的参数性能有了很大的提高, 可以很大程度上解决由于测试夹具所带来的测试影响。采用 AFR校准技术, 对测试夹具的 S 参数提取, 在进行 PAM4 眼图测试时, 再将测试夹具的 S参数导入测试仪器中, 完成测试夹具去嵌的校准工作, 测试准确性有了很大的提高。

3  结束语

本文介绍了高速背板连接器几种常见的测试校准方法, 对比分析了这几种校准方法的差异, 重点介绍了 AFR 校准方法,并选取了典型的样品进行了测试验证。采用 AFR 校准技术, 解决了非同轴端面测试夹具去嵌的问题, 测试方法简单易学、 测试精度较高, 已经开始应用到日常的高速性能测试中, 可以更客观、 更准确地评价高速背板连接器高速传输性能的优劣。

作者:徐鸣, 陈毓彬 , 李东兰

来源: 高速射频百花潭

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