【儀測高下】PCB插損和阻抗測試方案

隨著(zhù)AI技術(shù)的快速興起，服務(wù)器及計算設備對數據總線(xiàn)的吞吐量需求呈現指數級增長(cháng)，以PCIe標準為例，為適應AI算力需求，其協(xié)議已升級至PCIe 5.0/6.0，信號頻率突破32GT/s并向64GT/s邁進(jìn)，通道配置從x1擴展至x32，通過(guò)倍增頻率和通道數量實(shí)現大帶寬傳輸，然而，更高的信號頻率導致插入損耗呈指數級上升，引起信號幅度降低和失真，同時(shí)，PCB走線(xiàn)中的阻抗不連續性會(huì )引發(fā)信號反射和時(shí)序抖動(dòng)，它們共同造成信號完整性的問(wèn)題。

表1：PCIe總線(xiàn)圖表

為應對這些挑戰， PCIe阻抗測試需嚴格控制100Ω±10%的差分阻抗（PCB走線(xiàn)），并通過(guò)預加重、均衡技術(shù)補償損耗，插入損耗達-12dB@9GHz時(shí)，需+6dB的均衡增益才能恢復有效信號。此外，PCIe 5.0要求使用超低損耗（Df≤0.002）覆銅板，并增加板層數以?xún)?yōu)化布線(xiàn)，但這也使阻抗控制成為核心難點(diǎn)。因此，從設計仿真到量產(chǎn)測試，阻抗一致性和損耗補償能力已成為保障PCIe高帶寬穩定傳輸的關(guān)鍵技術(shù)，準確、高效且便捷地測試插入損耗和阻抗成為市場(chǎng)的緊迫需求。

本文主要概述PCB插損和阻抗的基本認知，測試方法和介紹羅德與施瓦茨公司對應的測試方案。

01.

插損與阻抗的定義及影響

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插入損耗（Insertion Loss）

指信號通過(guò)PCB傳輸線(xiàn)時(shí)因導體損耗、介質(zhì)損耗等因素導致的功率衰減，通常以分貝（dB）表示。例如，PCIe 5.0要求每英寸插損不超過(guò)0.6 dB@16 GHz。

圖1：信號與插入損耗的關(guān)系

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特征阻抗（Characteristic Impedance）

特征阻抗由傳輸線(xiàn)的幾何結構和材料特性決定，通常推薦值為50Ω或100Ω（差分）。阻抗突變會(huì )引發(fā)信號反射，導致回波損耗（Return Loss）惡化，影響信號完整性。

圖2：阻抗失配與信號反射系數的關(guān)系

02.

測試方法

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插入損耗的測量

矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀（VNA）是測量插入損耗最便捷的儀表，它的每個(gè)端口內部包含有信號源和接收機，我們可以通過(guò)端口1的信號源發(fā)出信號給被測件，再由端口2的接收機測量經(jīng)由被測件處理后的輸出信號，矢網(wǎng)可以直接比較和顯示輸出信號和輸入信號的差異，即為直接測量S21參數（正向傳輸系數），從而直觀(guān)的反映信號從輸入到輸出的損耗。

圖3：插損測量

單位長(cháng)度的插入損耗是PCB設計和信號完整性分析中一個(gè)非常重要的指標。它不僅可以幫助我們評估傳輸線(xiàn)的性能，還可以為電路設計提供更準確的數據支持，從而提高產(chǎn)品的可靠性和性能

圖4：Delta L 結果顯示

單位長(cháng)度插入損耗直觀(guān)上可以用直接除法，即插入損耗除以被測件長(cháng)度，然而，如圖4藍色測試結果所示，高頻下被測件阻抗不匹配導致的多重反射引發(fā)測試結果在不同頻率之間存在波動(dòng)，影響測試精度和穩定性。

Delta-L方法是Intel開(kāi)發(fā)的，通過(guò)設計兩條不同長(cháng)度的傳輸線(xiàn)，測試它們的S參數后進(jìn)行擬合運算和差值，從而得到單位長(cháng)度的插入損耗。相比直接除法，Delta L在計算差值時(shí)自動(dòng)抵消了夾具（如探針、焊盤(pán)和過(guò)孔）的影響，擬合算法移除了阻抗不匹配導致的多重反射，使得其尤其在高速、高頻場(chǎng)景下顯著(zhù)提升了精度和穩定性，從而成為當前PCB量產(chǎn)測試的主流方法。

圖5：Delta L 差值算法

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阻抗測試

傳統阻抗測試是基于示波器時(shí)域反射計(TDR)，信號發(fā)生器產(chǎn)生階躍激勵或者脈沖激勵，示波器對入射信號和反射信號采樣，計算出時(shí)域數據。

圖6：傳統TDR阻抗測試計

相比示波器受限于噪聲，動(dòng)態(tài)范圍和帶寬等，矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀因其更高的精度、測試速度以及ESD魯棒性，隨著(zhù)工作頻率升高，基于矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀的TDR阻抗測試儀成為主流；矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀同樣采用TDR時(shí)域反射法，不同于傳導的TDR阻抗分析儀以高壓脈沖為激勵信號，它是通過(guò)發(fā)射掃頻連續波，再接收源信號與散射信號并進(jìn)行比值，然后將測得的頻域數據進(jìn)行時(shí)域變換，得到時(shí)域阻抗結果。

圖7：基于矢網(wǎng)的TDR阻抗測試

03.

羅德與施瓦茨的測試解決方案

羅德與施瓦茨（Rohde & Schwarz）作為全球測試測量領(lǐng)域的領(lǐng)導者，其矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀產(chǎn)線(xiàn)覆蓋全面，滿(mǎn)足從基礎研發(fā)到高端應用的多樣化需求。產(chǎn)品包括R&S?ZNA、R&S?ZNB、R&S?ZNBT 和 R&S?ZNL等多個(gè)系列，頻率范圍涵蓋9kHz至110GHz。

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插損測試

羅德矢網(wǎng)內嵌Detal-L功能件，無(wú)需外部電腦，通過(guò)簡(jiǎn)易幾步即可完成插入損耗測試。

圖8：Delta-L 測試流程

其中Delta L 設置中，可以完成矢網(wǎng)的基本設置如掃描帶寬，步進(jìn)等，除Delta L算法標準設定外，羅德矢網(wǎng)支持用戶(hù)可以自定義測量方法，任意設定最高工作頻率（最高受限于矢網(wǎng)自身最高工作頻率）和定點(diǎn)的頻率用于結果顯示。

圖9：Delta L 設置界面

Delta L測量設置中內嵌校準，配屬羅德自動(dòng)校準件可以輕松快捷完成矢網(wǎng)自身誤差和用于連接的線(xiàn)纜的誤差校準，且除Delta L算法標準設定被測件長(cháng)度外，羅德矢網(wǎng)支持用戶(hù)靈活配置被測件長(cháng)度。

圖10：Delta L 測量設置

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阻抗測試

羅德矢網(wǎng)內嵌TDR功能件，無(wú)需外部電腦，通過(guò)簡(jiǎn)易幾步即可完成阻抗測試。

圖11：矢網(wǎng)TDR測試流程

羅德矢網(wǎng)TDR支持多種窗函數和時(shí)域精度增強算法，同時(shí)顯示阻抗和頻域的S參數信息，方便用戶(hù)對比時(shí)頻域信息和問(wèn)題診斷。

圖12：矢網(wǎng)TDR阻抗結果顯示

羅德與施瓦茨矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀還可以搭配第三方測試軟件進(jìn)行自動(dòng)化測試，軟件可按照用戶(hù)定義好的測試內容 執行測試，比如信號完整性要求的測試項：插入損耗、回波損耗、遠近端串擾、TDR、Skew、Delta-L等，用 戶(hù)一鍵式執行測試，最后生產(chǎn)完整測試報告，非常高效。

總 結

羅德與施瓦茨的ZNA/ZNB/ZNL系列配屬有電子校準件，內置阻抗測試功能和Delta L 測量選件，以自動(dòng)化、高精度重新定義了PCB插損與阻抗測試的標桿。面對未來(lái)6G通信與AI服務(wù)器的更高需求，該方案通過(guò)軟硬件協(xié)同創(chuàng )新，為行業(yè)提供了從研發(fā)到量產(chǎn)的完整閉環(huán)工具。