【儀測高下】PCB插損和阻抗測試方案

隨著AI技術的快速興起，服務器及計算設備對數據總線的吞吐量需求呈現指數級增長，以PCIe標準為例，為適應AI算力需求，其協議已升級至PCIe 6.0/7.0，信號頻率突破64GT/s并向128GT/s邁進，通道配置從x1擴展至x16，通過倍增頻率和通道數量實現大帶寬傳輸，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，PCB走線中的阻抗不連續性會引發信號反射和時序抖動，它們共同造成信號完整性的問題。

表1：PCIe總線圖表

PCIe 7.0為實現高達128GT/s的超高速數據傳輸，以及由此帶來的嚴苛插入損耗和阻抗設計挑戰，行業采取了多項協同措施。核心在于延續PAM4調制并結合先進的FEC技術，顯著提升信號的魯棒性和抗干擾能力。物理層設計方面，采用低損耗高頻PCB材料，并精細化阻抗控制，將公差控制在±3%以內，以減少信號衰減。此外，引入自適應均衡器動態補償傳輸鏈路的頻率響應失真，有效抵消插損的影響。封裝與接口也得到優化，例如改進連接器設計以縮短信號路徑、降低串擾，從而減少信號反射和損耗。

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。

插損與阻抗的定義及影響

插入損耗（Insertion Loss）
指信號通過PCB傳輸線時因導體損耗、介質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0.6 dB@16 GHz。

圖1：信號與插入損耗的關系

特征阻抗（Characteristic Impedance）
特征阻抗由傳輸線的幾何結構和材料特性決定，通常推薦值為50Ω或100Ω（差分）。阻抗突變會引發信號反射，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系

測試方法

插入損耗的測量

矢量網絡分析儀（VNA）是測量插入損耗最便捷的儀表，它的每個端口內部包含有信號源和接收機，我們可以通過端口1的信號源發出信號給被測件，再由端口2的接收機測量經由被測件處理后的輸出信號，矢量網絡分析儀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），從而直觀的反映信號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設計和信號完整性分析中一個非常重要的指標。它不僅可以幫助我們評估傳輸線的性能，還可以為電路設計提供更準確的數據支持，從而提高產品的可靠性和性能。

圖4：Delta L 結果顯示

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測試結果在不同頻率之間存在波動，影響測試精度和穩定性。

Delta-L方法是Intel開發的，通過設計兩條不同長度的傳輸線，測試它們的S參數后進行擬合運算和差值，從而得到單位長度的插入損耗。相比直接除法，Delta L在計算差值時自動抵消了夾具（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定性，從而成為當前PCB量產測試的主流方法。

圖5：Delta L 差值算法

阻抗測試

傳統阻抗測試是基于示波器時域反射計(TDR)，信號發生器產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，計算出時域數據。

圖6：傳統TDR阻抗測試計

相比示波器受限于噪聲，動態范圍和帶寬等，矢量網絡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，基于矢量網絡分析儀的TDR阻抗測試儀成為主流；矢量網絡分析儀同樣采用TDR時域反射法，不同于傳導的TDR阻抗分析儀以高壓脈沖為激勵信號，它是通過發射掃頻連續波，再接收源信號與散射信號并進行比值，然后將測得的頻域數據進行時域變換，得到時域阻抗結果。

圖7：基于矢量網絡分析儀的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域的領導者，其矢量網絡分析儀產線覆蓋全面，滿足從基礎研發到高端應用的多樣化需求。產品包括R&S?ZNA、R&S?ZNB、R&S?ZNBT 和 R&S?ZNL等多個系列，頻率范圍涵蓋9kHz至110GHz。

插損測試：

羅德矢量網絡分析儀內嵌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 設置中，可以完成矢量網絡分析儀的基本設置如掃描帶寬，步進等，除Delta L算法標準設定外，羅德矢量網絡分析儀支持用戶可以自定義測量方法，任意設定最高工作頻率（最高受限于矢量網絡分析儀自身最高工作頻率）和定點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，配屬羅德自動校準件可以輕松快捷完成矢量網絡分析儀自身誤差和用于連接的線纜的誤差校準，且除Delta L算法標準設定被測件長度外，羅德矢量網絡分析儀支持用戶靈活配置被測件長度，

圖10：Delta L測量設置

阻抗測試

羅德矢量網絡分析儀內嵌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：矢量網絡分析儀TDR測試流程

羅德矢量網絡分析儀TDR支持多種窗函數和時域精度增強算法，同時顯示阻抗和頻域的S參數信息，方便用戶對比時頻域信息和問題診斷。

圖12：矢量網絡分析儀TDR阻抗結果顯示

夾具去嵌：

在PCB進行插入損耗測試時，為去除諸如存在探頭、通孔、引入線和引出線的夾具的影響，需要使用精準的去嵌入算法來計算并去除這些對測量的影響，只留下感興趣區域的結果。除了要求用戶通過參數化給定的某個集中電路模型或提供適合的snp文件來定義夾具，羅德與施瓦茨矢量網絡分析儀現在還集成有第三方工具，這些工具可以根據測量數據建立測試夾具模型，達到優異的去嵌效果.

集成的第三方工具有AtaiTec公司的ISD，PacketMicro公司的SFD，和基于IEEE 370標準的EZD

圖13：2種方式進行夾具去嵌技術示意圖

去嵌入的基本原理是：

第一步：得到DUT和夾具的復合S參數

第二步：得到夾具自身的S參數

第三步：將每個S參數矩陣轉換為T矩陣

第四步：將每個夾具的T矩陣，進行變換得到逆矩陣

第五步：將測量得到的復合網絡T矩陣和夾具的逆矩陣相乘，得到DUT自身的T矩陣

第六步：將DUT的T矩陣變換成S參數矩陣去嵌入的關鍵是第二步得到夾具自身的S參數，EZD僅支持對稱場景的夾具去嵌，夾具是2x Through； ISD 和SFD支持對稱和非對稱場景夾具去嵌，如果是非對稱場景，需要2套對應的夾具，且支持修正夾具和DUT之間的阻抗失配問題：

EZD的去嵌流程是：

ISD和SFD的去嵌流程是：

羅德與施瓦茨矢量網絡分析儀還可以搭配第三方測試軟件進行自動化測試，軟件可按照用戶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，用戶一鍵式執行測試，最后生產完整測試報告，非常高效。

結語

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，以自動化、高精度重新定義了PCB插損與阻抗測試的標桿。面對未來6G通信與AI服務器的更高需求，該方案通過軟硬件協同創新，為行業提供了從研發到量產的完整閉環工具。

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羅德與施瓦茨業務涵蓋測試測量、技術系統、網絡與網絡安全，致力于打造一個更加安全、互聯的世界。 成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團，通過發展尖端技術，不斷突破技術界限。公司領先的產品和解決方案賦能眾多行業客戶，助其獲得數字技術領導力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業，公司在全球范圍內獨立、長期、可持續地開展業務。