2014密苏里科技大学EMC实验室项目实习周记（第3周）

公共篇

这周是来罗拉的第三周了，时间真是过得飞快。这周大家都工作得很辛苦，实验室组织的锻炼项目也少了很多。因为罗拉比较小，大家的休闲活动好像也就局限于早上或者黄昏的时候跑跑步，遛遛狗，逛下超市。就连这边的电影院也门庭冷落，场次很少的样子。而在实验室，传统就是周五晚上很少有人工作，大家找个大房子，一起放松一下，也顺便联络感情。像上周五，我们一起二十个人左右就聚在彦盛、光耀、肃宇学长及刘茜学姐家玩游戏。

这三周以来，大家的厨艺也越来越好了，会做的菜越来越多。因为春春学长又去了圣路易斯，所以我们买到了向往已久的“老干妈”。在这里我强烈推荐明年过来的学弟学妹们一定要备老干妈啊！我们现在除了晚饭分三组做之外，中饭也有了值日表，每天都有米饭吃的日子真的特别幸福！

我们之前每天走去学校的时候都会路过罗拉的市中心，他们的小店特别好玩儿，只在9：00--17：00营业，所以虽然每次都能路过，但是从来没见过他们开门。这就看出罗拉的人民生活得是有多闲适了。有一次我下午出来去图书馆借书，想到市中心的小店一定开门了，就上街逛了逛，发现了不少宝贝。原来在美国还有很多的手工艺人，罗拉街上就有世代做玻璃的老人，铸造金币银币的老人，虽然他们的店面里面人不多，但是也能这样生存下去，我觉得这就体现了美国人民对手工艺术的尊重吧。街上最多的要属园艺用品店了。当地人很关心他们的院子、他们的狗、他们的生活，我想住在这里的人们一定非常幸福。

下周，整个实验室都要去北卡开IEEE的电磁兼容方向的国际会议，我们六个人很幸运都能一同前往。一开始的时候因为住宿和车辆的问题，只能去部分人，后来在范老师的争取下，我们每个人都有了位子，非常感谢范老师为我们提供这次难得的机会去拓宽眼界。

最后献上一组罗拉美景请大家欣赏~

个人篇

1、夏梁桢：

上周说到我已经做好了VNA library里面的大部分函数，这星期我就着手开始写用户手册，告诉用户怎样使用我的函数包。这个工作虽然不难，但是也是很繁琐的。首先在前期写函数的时候，因为我不是很懂实验的原理顺序，所以给函数起的名字都是乱七八糟没有章法的，所以在写这个library之前，我又再读了几遍原版的code，把函数按照功能分好类，把一类的函数都用相似的函数名字，再按照一般写code的顺序排好队。有一次在读我的manual的时候突然觉得，一个完全的beginner可能直接看function还是不知道该怎么写，于是我又在最前面加了一个章节：getting prepared，在里面我加入了我们要做的硬件和软件的准备，以及怎么选择和下载。然后继续写函数，大概总共花了我两整天的时间才把所有函数整理好。把初稿做好之后就去给victor看，他又大笔一挥改了好多，又想要增加了一些函数，于是我周末就来实验室，把新写的function，及他说的怎么找机器的地址的操作办法等等又加了进去。周一，victor说我们要去找nana教授，然后把我们的function和manual都发布在实验室的网站上，所以去找nana的时候还比较兴奋和紧张，但是事实上程序非常简单，只要把东西发给她就好了，但是因为我们是实习生，没有权限上实验室的网站，所以nana又帮忙把我加了进去。到此我整个VNAlibrary的任务算是圆满完成了。想到两个星期之前我连什么是VNA，怎么用MATLAB都不知道，到现在把manual拿出来，当中还是遇到了蛮多困难的，辛苦的时候也会做到很晚。虽然程序不难，但是我对自己还是很满意的。下面给大家看看我的manual的封面和目录啊~

然后我对victor说想试试做点测试，而不是只做code，于是他又给我讲了一黑板的filter是怎么工作的。真的很不好意思，因为之前都没有时间看书，所以他借我的微波工程都没有时间仔细看，就是大致了解下概念，还是中文的概念，所以victor说的好多名字都不知道什么意思。他不厌其烦地在维基百科上查出中文给我看。然后他就给我了小测试练练手，测两个滤波器和一个隔离器的S参数，并分析特性。因为正好小白和彦盛学长也要用VNA，然后就跟着小白蹭“老师”去了。使用VNA之前要先用cal kit做校准，然后我用了自己的code，一次两秒钟完成扫描、存数据、画图等一系列工作，真的比他们按VNA屏幕上的按钮快了很多。虽然在之前所有学姐学长都说我做的library很有用，但是在没有真正使用的时候，我真的不知道原来真的可以快很多。这里又要很感谢彦盛学长了，他提醒我说是不是应该写一个report，然后再去给victor讲，不然就单凭嘴巴讲的话可能不清楚也没有条理。我想这应该是实验室的一贯模式吧，虽然victor没有说要我写report，但是之后的效果还是非常好的。因为之后又查了些资料好好准备了一下汇报内容，所以这次victor也是很满意的，比起之前布置任务时什么都不懂的尴尬好了很多。

接下去victor说周四周五就给我放假了，让我好好休息，到下周去北卡开会回来再给我做项目，真的很受宠若惊，我准备这几天先好好看看微波工程的书，但愿下次和他交流，就什么都听得懂，加油！

2、黄晨希

本周在一次去超市买东西的路上，第一次近距离地见识到了美国的运货火车。这种火车又慢又长，我在路口等了将近十几分钟，它才过去。但是相比国内的一些列车，这种看似慢吞吞的老爷火车却能给人以一种十分特别的安全感。

图1.美国又长又慢的运货火车

在密苏里科技大学离EE-building很近的一栋楼里，我们意外地发现了一个装着一把金锹和一把铁锹的陈列柜。通过它上面的解说词，我们知道了它既是密苏里科技大学是从它的的前身密苏里矿业和冶金学院一步一步发展成为今天的见证，同时也象征着密苏里科技大学踏实稳重、严谨笃实的学风。

图2.陈列柜里的金锹和铁锹

这周在找过同在PDN（Power Distribution Network）项目组的印度学长Ketan谈过一次后，我开始正式地加入了PDN项目组。Ketan给我的第一个任务，就是读懂他们小组曾经发表的一篇有关多层PCB板的等效电路计算问题的论文，并根据它得到一个给定的PCB板的等效电路，再由等效电路算出从IC端看过去的输入阻抗的表达式，找到减小输入阻抗的方法。

图3.论文中等效电路的图解

图4.分配给我的任务

我首先花了大致一天的时间，研究了一下论文中关于等效电路的原理和方法。第二天就根据原来的PCB结构图，得到了最终化简后的电路图。我原本想着后面的工作应该就是一马平川了，但是却发现，由于原件很多，电路比较复杂。最终得到的阻抗表达式也是非常的复杂，而且想要人工完成系数的化简十分困难。

图5.最终计算得到的表达式

在算了十几张草稿纸并花费了很多的时间后，我终于意识到，这样盲目地算下去是行不通的，必须要依靠计算机的帮助了。在Ketan和白思琪同学的帮助下，我开始学习使用matlab的symbol工具箱。并很容易地得到了表达式的系数。但是系数的整理还是有一些问题，这也使得从物理的层面上来理解这个表达式变得很难。我现在正在学习整理表达式的系数，并通过学习matlab的GUI来编写一个可以十分清晰表示出系数变化对结果影响的程序。

3、张岭

不知不觉已过3周，真心觉得时间的紧迫性。这周大部分时间花在学习基础理论知识上。因为大学专业学习阶段没有学习过微波，只学习过相关的电磁场与电磁波的知识，而我发现实验室里大家在做的研究都是以微波工程为基础的。所以我花了较多的时间学习传输线理论、S参数、TDR、传输线的串扰问题、差分传输线等理论知识。

当传输信号的频率较高、波长小到可以和器件尺寸相比的时候，就必须用到传输线模型了，这是要看成分布式。在传输线模型中，同一传输线上各处的电压v和电流i并不相同，也就是说电压和电流都是以波的形式进行传播，可以分别用v(x, t)和i(x, t)来表示。如下图所示，有两根传输线，一根是信号线，另一根是参考线。用R, L分别来表示信号线上单位长度的电阻和电感，用G, C分别来表示信号线和参考线之间单位长度的电导和电容，在一个很小的距离

内，可以看成是集中式元件，利用KCL和KVL定理，可以导出传输线传播方程如下：

该方程组的瞬态解为

其中

，

，

，是传输线的特征阻抗，是一个比较重要的参数。特征阻抗决定了波在传输线中的传播和反射，TDR就是利用了这个性质，根据从负载阻抗反射回来的波来判断负载阻抗的性质。S参数是用来描述微波网络的信号传输性质的参数矩阵，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。

当两根传输线隔得比较近的时候，它们之间的互感和互容就会对两根传输线之间的电流电压信号产生影响，这就是传输线的串扰（Crosstalk）问题。由于两根传输线之间存在串扰，所以其信号的传播可以分解成两个模式，共模和差模。实际线路中，常常采用差分传输线的形式，在两根传输线中传输的是差分信号，这种方式有很多好处。

另外，这周我发现，之前用FEMAS仿真出来的微带线结构有问题，因为要调整参数以使特征阻抗为50欧姆，而在FEMAS中，其显示的特征阻抗应该是单端传输线的特征阻抗，而不应该是之前认为的差分传输线的特征阻抗，所以应该调整为50欧，而不是100欧。接下来要对结构参数进行调整，下一步则用HFSS以及CST对3D结构进行仿真。

4、何睿杰

过去的一周里，大部分的时间都在读paper和推导。用Maple来写表达式，用Matlab做矩阵的运算，数据处理。用ADS进行仿真，并和MATLAB的结果进行对比，来验证表达式的正确性。

通过ADS仿真，同时读一些paper，我对从Single-Ended S参数到Mix-moded S参数，中间的转换的原理比较熟悉了。但是涉及到多端口网络，比如四端口网络的时候，表达式变得非常复杂。原因之一是参数太多，变量也非常多。Single-Ended 和 Mix-moded S参数都是四乘四的矩阵，而已知的参数仅有反射系数测量值Γ，在Short Open Load的情况下，各获取一次。尽管S参数矩阵的对称性以及perfect balanced的假设可以省去不少工作量，但是真正操作起来对我来说还是比较费脑筋的事情。Bichen学长非常耐心地跟我讲了两遍Mix-Moded的反射系数Γdiff 、Γcomm的物理含义，我才把思路理清楚。

周一的时候，Intel的待测电路板寄到了实验室，我和学长一起拿到工作台上比划了一下，讨论测量的方案。这块板子是四层的，有一组微带线长达10英尺。所以整个板子很长。这个测量带来了一些困扰。我在周二的时候和Intel的meeting上介绍了我们的测量方案和估计会遇到的问题，比如板子太长、同侧的pad距离太近、探头和接口的频率范围低于板子的频率范围等。Intel那边认可了我们的测量方案，表示他们也考虑过我们提出的问题，并给了一些意见。

图1. 差分信号之间的距离太近，两个探针会放不下（探针的支撑部分会挤在一起）

在这过去的三周里，可以说第一周是安顿工作，花了一些精力来来办手续、搬进房子等等。第二周是开始接触实验室项目的一周，我在第二周学习了不少仪器的使用，还有器械操作，比如probe landing等。那么这一周算是补充理论知识的基础：尽管学过S参数，但是在这个项目中要使用的是差分测量，用到的是Mix-moded S参数，所以要把这块弄清楚。带我的Bichen学长让我这周把包括测量方法在内的理论都自己推导一遍，这样对项目的理解就更深一些，做起来收获更大，效率更高。

5、白斯琪

这周我们自己做了一个probe，希望它能够用它测到3GHZ的信号。Probe是用特征阻抗为50欧姆的semi-rigid cable和SMA接口制作的，并且端接了一个体积很小（0402）的500欧姆电阻。制作的过程需要很大的耐心，因为任何一个小缺陷（例如焊锡的数量，接口的杂质等）都会使高频响应变差，从而减小测量带宽。测量信号时，probe要焊接在板子上。下图是probe焊接在板子上的情形。

图1. 制作的probe

为了测试probe的性能，我们进行了测量，将probe测到的信号和原始信号比较。实验用的是4GHz，20Gsa/s的示波器，信号发生器的带宽是2GHz。本次实验还测量了一个active probe的性能。实验装置如下所示。

图2. 实验装置

在500MHz的频率下，三个通道的信号吻合的很好，说明在低频时自制probe和active probe的性能都很好。

图3. 频率500MHz的波形

当2GHz时，两个probe测到的信号幅度都略微下降。

图4. 频率为2GHz时的波形

两个通道信号幅度下降的原因不一样，我们进行了分析。

对于自制的passive probe，原因是焊接时ground loop的电感。loop的尺寸是8mm，对应的电感是8nH，在2GHz时，该电感的阻抗是50欧姆，因此probe factor 要从原来的11变为12。这样调整后，测量信号与真实信号符合的很好。

对于active probe，可能的原因是tip上的焊接电阻尺寸不对。

图5

图6

如上图所示，我们用的是150欧姆电阻，因此带宽达不到12GHz。而且我们吧电阻的lead剪得比较短，和data sheet上给定的尺寸不一样，因此造成的带宽的下降。

以上是这周的主要任务。下周我们要测出probe的ｓ参数，并用这个参数来校正测量波形。

6、周建驰

生活篇：

这一周，随着新鲜感的逐渐褪去，我们也渐渐适应了在罗拉的生活，白天大家都在实验室忙碌，晚上回家的主要任务就是做饭了，热热闹闹一顿饭吃下来罗拉的夜幕也还迟迟没有降临，天边的云霞很美，有时候饭后我们会出去散散步，顺便去附近的超市买点菜。

图1. 罗拉的傍晚

工作篇：

上周我和小帕讨论了芯片方面的选择，把主要器件的型号和数量基本确定了下来，综合考虑之后我们决定一部分放大器和核心的FIR由实验室自己来做。我和另一个伊朗的女生Atieh目前主要负责FIR的部分。要生产一块高速电路板，首先要用Cadence 进行PCB设计，因为Hittite公司有生产FIR的PCB板，所以我们决定先研究这块板子的设计作为借鉴。

图2 FIR电路板

除了设计PCB，另一方面还有一些测试的工作，前面提到的Atieh 教我使用了VNA，我之前在学校也用过VNA，不过精度没有这么高也达不到这么高的频率，我们一般是用电校准，减少线缆和接头等因素的干扰。因为静电放电很容易干扰测量结果，损坏仪器，所以使用仪器前要戴上一个与虚地相接的手环，防止静电。信号通过放大器等器件后在高频部分会有一部分损耗，所以要在系统中加入Gain Equalizer（增益均衡器）来使信号在整个频域的损耗得到均衡。小帕给了我一些这种器件的样品，让我测量它们的S参数，选择适合我们设计的型号。这个芯片非常小，需要用显微镜来焊，而且两个焊接点中间的缝隙非常小，所以要很小心，如果焊锡稍微多一点就很容易短路，芯片就不能用了。（图-2 板子正中那一小块黄色的部分就是芯片）我在显微镜下奋斗了两个下午，期间Tianqi学长还来指导了一番，周末又来加了个班，最后终于把要测试的几个型号焊好了。

图3 焊接在测试板上的Equalizer和1quarter硬币对比

用VNA测量出来的插入损耗结果虽然比理想曲线的波动要大，不过趋势和范围还是大致符合的。给小帕看了结果以后小帕表示均衡的程度不是很够，希望在低频部分能更大一点。他提出可以把通过切割在板子的微带线上再做一个Gap，把两个Equalizer 串联起来看看结果，但是这样会导致传输线的反射严重，所以我先用ADS做了仿真，目前仿真拟合的结果不是很理想。后来我想到可能是我因为我用来对照的实际测量值是没有考虑Connector 自身损耗的，在测试芯片前我也测量了Connector 的插入损耗，在我们的目标截止频率26GHz时大概有2dB的衰减，所以下一步是用MATLAB处理测量数据时，把Connector 自身损耗考虑进去看看输出的结果，再根据这个结果调整仿真的参数以达到尽可能小的误差。

图4 Equalizer 测量值和ADS 仿真结果