羅德與施瓦茨矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PCB插損和阻抗測試方案

隨著AI技術(shù)的快速興起，服務(wù)器及計(jì)算設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)總線的吞吐量需求呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長，以PCIe標(biāo)準(zhǔn)為例，為適應(yīng)AI算力需求，其協(xié)議已升級(jí)至PCIe 5.0/6.0，信號(hào)頻率突破32GT/s并向64GT/s邁進(jìn)，通道配置從x1擴(kuò)展至x32，通過倍增頻率和通道數(shù)量實(shí)現(xiàn)大帶寬傳輸，然而，更高的信號(hào)頻率導(dǎo)致插入損耗呈指數(shù)級(jí)上升，引起信號(hào)幅度降低和失真，同時(shí)，PCB走線中的阻抗不連續(xù)性會(huì)引發(fā)信號(hào)反射和時(shí)序抖動(dòng)，它們共同造成信號(hào)完整性的問題。

表1：PCIe總線圖表

為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)， PCIe阻抗測試需嚴(yán)格控制100Ω±10%的差分阻抗（PCB走線），并通過預(yù)加重、均衡技術(shù)補(bǔ)償損耗，插入損耗達(dá)-12dB@9GHz時(shí)，需+6dB的均衡增益才能恢復(fù)有效信號(hào)。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(shù)以優(yōu)化布線，但這也使阻抗控制成為核心難點(diǎn)。因此，從設(shè)計(jì)仿真到量產(chǎn)測試，阻抗一致性和損耗補(bǔ)償能力已成為保障PCIe高帶寬穩(wěn)定傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，準(zhǔn)確、高效且便捷地測試插入損耗和阻抗成為市場的緊迫需求。

本文主要概述PCB插損和阻抗的基本認(rèn)知，測試方法和介紹羅德與施瓦茨公司對(duì)應(yīng)的測試方案。

插損與阻抗的定義及影響

插入損耗（Insertion Loss）

指信號(hào)通過PCB傳輸線時(shí)因?qū)w損耗、介質(zhì)損耗等因素導(dǎo)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0.6 dB@16 GHz。

圖1：信號(hào)與插入損耗的關(guān)系

特征阻抗（Characteristic Impedance）

特征阻抗由傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)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(hào)反射，導(dǎo)致回波損耗（Return Loss）惡化，影響信號(hào)完整性。

圖2：阻抗失配與信號(hào)反射系數(shù)的關(guān)系

測試方法

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(nèi)部包含有信號(hào)源和接收機(jī)，我們可以通過端口1的信號(hào)源發(fā)出信號(hào)給被測件，再由端口2的接收機(jī)測量經(jīng)由被測件處理后的輸出信號(hào)，矢網(wǎng)可以直接比較和顯示輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的差異，即為直接測量S21參數(shù)（正向傳輸系數(shù)），從而直觀的反映信號(hào)從輸入到輸出的損耗。

圖3：插損測量

單位長度的插入損耗是PCB設(shè)計(jì)和信號(hào)完整性分析中一個(gè)非常重要的指標(biāo)。它不僅可以幫助我們?cè)u(píng)估傳輸線的性能，還可以為電路設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，從而提高產(chǎn)品的可靠性和性能

圖4：Delta L 結(jié)果顯示

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

Delta-L方法是Intel開發(fā)的，通過設(shè)計(jì)兩條不同長度的傳輸線，測試它們的S參數(shù)后進(jìn)行擬合運(yùn)算和差值，從而得到單位長度的插入損耗。相比直接除法，Delta L在計(jì)算差值時(shí)自動(dòng)抵消了夾具（如探針、焊盤和過孔）的影響，擬合算法移除了阻抗不匹配導(dǎo)致的多重反射，使得其尤其在高速、高頻場景下顯著提升了精度和穩(wěn)定性，從而成為當(dāng)前PCB量產(chǎn)測試的主流方法。

圖5：Delta L 差值算法

阻抗測試

傳統(tǒng)阻抗測試是基于示波器時(shí)域反射計(jì)(TDR)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生階躍激勵(lì)或者脈沖激勵(lì)，示波器對(duì)入射信號(hào)和反射信號(hào)采樣，計(jì)算出時(shí)域數(shù)據(jù)。

圖6：傳統(tǒng)TDR阻抗測試計(jì)

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(dǎo)的TDR阻抗分析儀以高壓脈沖為激勵(lì)信號(hào)，它是通過發(fā)射掃頻連續(xù)波，再接收源信號(hào)與散射信號(hào)并進(jìn)行比值，然后將測得的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域變換，得到時(shí)域阻抗結(jié)果。

圖7：基于矢網(wǎng)的TDR阻抗測試

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(dǎo)者，其矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)線覆蓋全面，滿足從基礎(chǔ)研發(fā)到高端應(yīng)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。

插損測試

羅德矢網(wǎng)內(nèi)嵌Detal-L功能件，無需外部電腦，通過簡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(shè)置中，可以完成矢網(wǎng)的基本設(shè)置如掃描帶寬，步進(jìn)等，除Delta L算法標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定外，羅德矢網(wǎng)支持用戶可以自定義測量方法，任意設(shè)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(jié)果顯示。

圖9：Delta L 設(shè)置界面

Delta L測量設(shè)置中內(nèi)嵌校準(zhǔn)，配屬羅德自動(dòng)校準(zhǔn)件可以輕松快捷完成矢網(wǎng)自身誤差和用于連接的線纜的誤差校準(zhǔn)，且除Delta L算法標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定被測件長度外，羅德矢網(wǎng)支持用戶靈活配置被測件長度。

圖10：Delta L 測量設(shè)置

阻抗測試

羅德矢網(wǎng)內(nèi)嵌TDR功能件，無需外部電腦，通過簡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(shù)和時(shí)域精度增強(qiáng)算法，同時(shí)顯示阻抗和頻域的S參數(shù)信息，方便用戶對(duì)比時(shí)頻域信息和問題診斷。

圖12：矢網(wǎng)TDR阻抗結(jié)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，軟件可按照用戶定義好的測試內(nèi)容執(zhí)行測試，比如信號(hào)完整性要求的測試項(xiàng)：插入損耗、回波損耗、遠(yuǎn)近端串?dāng)_、TDR、Skew、Delta-L等，用戶一鍵式執(zhí)行測試，最后生產(chǎn)完整測試報(bào)告，非常高效。

總 結(jié)

羅德與施瓦茨的ZNA/ZNB/ZNL系列配屬有電子校準(zhǔn)件，內(nèi)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(biāo)桿。面對(duì)未來6G通信與AI服務(wù)器的更高需求，該方案通過軟硬件協(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。