以 PCIe 標(biāo)準(zhǔn)為例，為了適應(yīng) AI 算力需求的不斷提升，其協(xié)議已成功升級至 PCIe 5.0/6.0，信號頻率不僅突破了 32GT/s，還在持續(xù)向 64GT/s 邁進(jìn)，通道配置也從 x1 擴(kuò)展至 x32，通過倍增頻率和通道數(shù)量的方式實(shí)現(xiàn)了大帶寬傳輸。然而，更高的信號頻率不可避免地導(dǎo)致插入損耗呈指數(shù)級上升，進(jìn)而引起信號幅度降低和失真。同時(shí)，PCB 走線中的阻抗不連續(xù)性會引發(fā)信號反射和時(shí)序抖動，這兩者共同造成了信號完整性的問題。
表 1：PCIe 總線圖表
為了應(yīng)對這些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，PCIe 阻抗測試需要嚴(yán)格控制 100Ω±10% 的差分阻抗（PCB 走線），并且通過預(yù)加重、均衡技術(shù)來補(bǔ)償損耗。當(dāng)插入損耗達(dá)到 - 12dB@9GHz 時(shí)，需要 + 6dB 的均衡增益才能恢復(fù)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(shù)以優(yōu)化布線，但這也使得阻抗控制成為了難點(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了市場的緊迫需求。
本文將主要概述 PCB 插損和阻抗的基本認(rèn)知、測試方法，并介紹羅德與施瓦茨公司對應(yīng)的測試方案。
- 插入損耗（Insertion Loss）
插入損耗指的是信號通過 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）。阻抗突變會引發(fā)信號反射，導(dǎo)致回波損耗（Return Loss）惡化，嚴(yán)重影響信號完整性。
圖 2：阻抗失配與信號反射系數(shù)的關(guān)系
- 插入損耗的測量
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）是測量插入損耗為便捷的儀表。它的每個(gè)端口內(nèi)部包含有信號源和接收機(jī)，我們可以通過端口 1 的信號源發(fā)出信號給被測件，再由端口 2 的接收機(jī)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，即直接測量 S21 參數(shù)（正向傳輸系數(shù)），從而直觀地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在 PCB 設(shè)計(jì)和信號完整性分析中是一個(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)。它不僅能夠幫助我們評估傳輸線的性能，還能為電路設(shè)計(jì)提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，從而有效提高產(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)致的多重反射會引發(fā)測試結(jié)果在不同頻率之間存在波動，從而影響測試精度和穩(wěn)定性。
Delta - L 方法是由 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)能夠自動抵消夾具（如探針、焊盤和過孔）的影響，擬合算法還能移除阻抗不匹配導(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
2. 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)，
信號發(fā)生器產(chǎn)生階躍激勵(lì)或者脈沖激勵(lì)，示波器對入射信號和反射信號采樣，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、動態(tài)范圍和帶寬等因素，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，隨著工作頻率的升高，基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的 TDR 阻抗測試儀成為了主流。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀同樣采用 TDR 時(shí)域反射法，不同于傳統(tǒng)的 TDR 阻抗分析儀以高壓脈沖為激勵(lì)信號，它是通過發(fā)射掃頻連續(xù)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(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域變換，從而得到時(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（Rohde & Schwarz）作為測試測量領(lǐng)域的，其矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)線覆蓋全面，能夠滿足從基礎(chǔ)研發(fā)到高端應(yīng)用的多樣化需求。產(chǎn)品包括 R&SZNA、R&SZNB、R&SZNBT 和 R&SZNL 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)支持用戶自定義測量方法，任意設(shè)定工作頻率（受限于矢網(wǎng)自身工作頻率）和定點(diǎn)的頻率用于結(jié)果顯示。
