隨著AI技術(shù)的快速興起，服務器及計算設備對數(shù)據(jù)總線的吞吐量需求呈現(xiàn)指數(shù)級增長，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，通道配置從x1擴展至x32，通過倍增頻率和通道數(shù)量實現(xiàn)大帶寬傳輸，然而，更高的信號頻率導致插入損耗呈指數(shù)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(xù)性會引發(fā)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

為應對這些挑戰(zhàn)， PCIe阻抗測試需嚴格控制100Ω±10%的差分阻抗（PCB走線），并通過預加重、均衡技術(shù)補償損耗，插入損耗達-12dB@9GHz時，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(shù)以優(yōu)化布線，但這也使阻抗控制成為核心難點。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(wěn)定傳輸?shù)年P(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PCB傳輸線時因?qū)w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(shù)的關(guān)系

02.

測試方法

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插入損耗的測量

矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA）是測量插入損耗最便捷的儀表，它的每個端口內(nèi)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(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(shù)（正向傳輸系數(shù)），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(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藍色測試結(jié)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(jié)果在不同頻率之間存在波動，影響測試精度和穩(wěn)定性。

Delta-L方法是Intel開發(fā)的，通過設計兩條不同長度的傳輸線，測試它們的S參數(shù)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(wěn)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(tǒng)阻抗測試是基于示波器時域反射計(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，計算出時域數(shù)據(jù)。

圖6：傳統(tǒng)TDR阻抗測試計

相比示波器受限于噪聲，動態(tài)范圍和帶寬等，矢量網(wǎng)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(wǎng)絡分析儀的TDR阻抗測試儀成為主流；矢量網(wǎng)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(fā)射掃頻連續(xù)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(shù)據(jù)進行時域變換，得到時域阻抗結(jié)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域的領導者，其矢量網(wǎng)絡分析儀產(chǎn)線覆蓋全面，滿足從基礎研發(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(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 設置中，可以完成矢網(wǎng)的基本設置如掃描帶寬，步進等，除Delta L算法標準設定外，羅德矢網(wǎng)支持用戶可以自定義測量方法，任意設定最高工作頻率（最高受限于矢網(wǎng)自身最高工作頻率）和定點的頻率用于結(jié)果顯示。

圖9：Delta L 設置界面

Delta L測量設置中內(nèi)嵌校準，配屬羅德自動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，羅德矢網(wǎng)支持用戶靈活配置被測件長度。

圖10：Delta L 測量設置

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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)和時域精度增強算法，同時顯示阻抗和頻域的S參數(shù)信息，方便用戶對比時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(nèi)容 執(zhí)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(zhí)行測試，最后生產(chǎn)完整測試報告，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件，內(nèi)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(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。