作者：于洋，王欣

PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板），隱藏在各種IT、電子設(shè)備中，從服務(wù)器到智能終端，從電動(dòng)汽車到衛(wèi)星通信，作為信號(hào)傳輸?shù)摹拜d體”，連接成百上千個(gè)元器件。

隨著5G移動(dòng)通信、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，終端產(chǎn)品越來越薄，數(shù)據(jù)傳輸速度越來越快，對(duì)PCB的集成能力、高頻高速通信能力的需求也逐步提升。

頻率越高、傳輸速率越快，在傳輸中的信號(hào)損耗問題越嚴(yán)重。我們通常利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)PCB進(jìn)行材料介電常數(shù)/損耗因子（Dk/Df）、信號(hào)完整性SI（阻抗、上升時(shí)間、串?dāng)_等），S參數(shù)（回波損耗、插入損耗）等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，確保信號(hào)在PCB電路板中傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

在助力客戶進(jìn)行PCB測(cè)試的過程中，是德科技總結(jié)出了一些“測(cè)試秘籍”。快@你身邊的PCB工程師，這些從基礎(chǔ)到測(cè)試日常的小問題，看看你能答對(duì)多少題？

第一關(guān)：基礎(chǔ)熱身

Q1你知道高頻高速PCB測(cè)試挑戰(zhàn)具體體現(xiàn)在哪些方面嗎？

1. 高頻信號(hào)完整性挑戰(zhàn)。

10GHz以上頻段，材料的介電損耗（Df）和導(dǎo)體損耗導(dǎo)致信號(hào)衰減加?。蛔杩乖试S誤差要求更嚴(yán)苛，±5%甚至更嚴(yán)格的容差要求；高密度布局和差分信號(hào)對(duì)間的電磁耦合導(dǎo)致串?dāng)_，影響信號(hào)準(zhǔn)確性。

2. 差分電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

差模信號(hào)與共模信號(hào)間的轉(zhuǎn)換引入額外損耗和噪聲，差分對(duì)間的時(shí)延不一致（Skew）導(dǎo)致信號(hào)失真。

3. 材料特性復(fù)雜性挑戰(zhàn)。

材料的介電常數(shù)（Dk）和介質(zhì)損耗（Df）隨頻率變化，傳統(tǒng)固定模型無法滿足仿真需求；混合材料的玻纖與樹脂分布不均，導(dǎo)致等效Dk/Df波動(dòng)。

4. 測(cè)試效率與成本壓力。

開發(fā)周期縮短，需快速完成設(shè)計(jì)驗(yàn)證與量產(chǎn)測(cè)試，節(jié)省費(fèi)用、所有測(cè)試集中在一臺(tái)儀表，成為設(shè)備商的新需求。

Q2PCB物理層測(cè)試的關(guān)鍵參數(shù)有哪些？分別是什么意思？

關(guān)鍵參數(shù)主要表現(xiàn)在，插入損耗、回波損耗等基本S參數(shù)，F(xiàn)EXT、NEXT、PS_Crosstalk、ICR、ICN、Jitter、差分對(duì)延時(shí)、眼圖等，介電常數(shù)(D k)/介質(zhì)損耗(D f)等材料參數(shù)的測(cè)試。

? 參數(shù)名稱

插入損耗

? 定義

信號(hào)在傳輸路徑中的功率損耗，通常隨頻率增加而增大，以dB表示。

? 測(cè)試方法

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測(cè)量S參數(shù)中的S21（正向）或S12（反向）。

? 參數(shù)名稱

回波損耗

? 定義

因阻抗不匹配導(dǎo)致的反射信號(hào)功率與輸入功率的比值，回波損耗是反射信號(hào)低于入射信號(hào)的dB 數(shù)，以-dB表示，絕對(duì)值越大越好。

? 測(cè)試方法

使用VNA測(cè)量S參數(shù)中的S11（輸入端口反射）或S22（輸出端口反射）。

? 參數(shù)名稱

FEXT (遠(yuǎn)端串?dāng)_)

? 定義

干擾信號(hào)在相鄰?fù)ǖ肋h(yuǎn)端產(chǎn)生的串?dāng)_，通常以dB表示。

? 測(cè)試方法

使用VNA測(cè)量遠(yuǎn)端端口。

? 參數(shù)名稱

NEXT (近端串?dāng)_)

? 定義

與發(fā)送端處于同一邊的（近端）接收端處所感應(yīng)到的從發(fā)送線發(fā)送過來的串?dāng)_信號(hào)。

? 測(cè)試方法

使用VNA測(cè)量近端端口。

? 參數(shù)名稱

PS_Crosstalk (電源層串?dāng)_)

? 定義

電源層噪聲對(duì)信號(hào)層的耦合干擾。

? 測(cè)試方法

使用VNA或示波器結(jié)合專用電源完整性夾具，測(cè)量電源噪聲對(duì)信號(hào)的影響。

? 參數(shù)名稱

ICR (插入損耗變化率)

? 定義

插入損耗在不同頻率或環(huán)境條件下的變化率。

? 測(cè)試方法

基于VNA在不同頻率下測(cè)量的插入損耗數(shù)據(jù)，計(jì)算其斜率或標(biāo)準(zhǔn)差。

? 參數(shù)名稱

ICN (插入損耗噪聲)

? 定義

插入損耗中的隨機(jī)波動(dòng)成分，反映信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

? 測(cè)試方法

通過VNA多次測(cè)量插入損耗并分析其噪聲頻譜或標(biāo)準(zhǔn)差。

? 參數(shù)名稱

差分對(duì)延時(shí) (Differential Pair Delay)

? 定義

高速PCB中經(jīng)常采用多條差分路徑傳輸。所以Skew又分為對(duì)內(nèi)延時(shí)差（Intra-pair Skew）和對(duì)間延時(shí)差（Inter-pair Skew）。對(duì)內(nèi)延時(shí)差是指同一對(duì)差分線間兩條單端傳輸線single-end Delay之差，對(duì)間延時(shí)差是指不同對(duì)差分線間Differential Delay之差。

? 測(cè)試方法

使用時(shí)域反射計(jì)(TDR)或高速示波器測(cè)量差分信號(hào)的時(shí)間差。

? 參數(shù)名稱

眼圖 (Eye Diagram)

? 定義

多個(gè)信號(hào)周期疊加形成的圖形，用于評(píng)估信號(hào)完整性（如噪聲、抖動(dòng)等）。眼圖可以顯示出數(shù)字信號(hào)的傳輸質(zhì)量，是對(duì)數(shù)字信號(hào)質(zhì)量的一種快速而又非常直觀的觀測(cè)手段。

? 測(cè)試方法

使用高速示波器捕獲信號(hào)波形，通過疊加生成眼圖，結(jié)合分析軟件評(píng)估參數(shù)。

? 參數(shù)名稱

介電常數(shù) (Dk)

? 定義

材料存儲(chǔ)電場(chǎng)能量的能力，影響信號(hào)傳播速度。

? 測(cè)試方法

采用諧振腔法、傳輸線法或VNA結(jié)合同軸/微帶夾具測(cè)量，通過S參數(shù)反推Dk。

? 參數(shù)名稱

介質(zhì)損耗 (Df)

? 定義

材料耗散電場(chǎng)能量的能力，以損耗角正切表示。

? 測(cè)試方法

使用與Dk相同的方法，分析S參數(shù)或Q值計(jì)算損耗角正切。

Q3PCB測(cè)試的xy方向和z方向是什么意思？

XY 方向（平面內(nèi)方向）：XY 方向是 PCB 平面內(nèi)的二維方向，即平行于 PCB 表面的兩個(gè)正交軸。X 軸：水平方向（如 PCB 的長(zhǎng)邊）；Y 軸：垂直方向（如 PCB 的短邊），XY 平面：由銅箔走線、微帶線、帶狀線等構(gòu)成的信號(hào)傳輸層。

Z 方向（垂直方向）：Z 方向是垂直于 PCB 平面的方向（即厚度方向），對(duì)應(yīng) PCB 的層疊方向。Z 軸：從 PCB 頂層到底層的垂直方向；Z 方向特性：涉及層間耦合、過孔（via）性能、材料垂直方向的介電常數(shù)等。

第二關(guān)：損耗

Q4PCB傳輸信號(hào)過程中介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗怎么區(qū)分？

PCB 上的信號(hào)傳輸損耗（Loss）可分為導(dǎo)體損耗（LC）和介質(zhì)損耗（LD）。介質(zhì)損耗，就是在PCB材料介質(zhì)層面?zhèn)鬏敭a(chǎn)生的損耗，導(dǎo)體損耗可分為表面粗糙度引起的散射損耗和趨膚效應(yīng)損耗。介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗這兩個(gè)損耗的模型是不一樣的，所以可以在總體的損耗中將不同的損耗部分提取出來。

Q5什么是導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)？

趨膚效應(yīng)（Skin Effect）是指導(dǎo)體在高頻交流電作用下，電流密度從導(dǎo)體內(nèi)部向表面逐漸集中的現(xiàn)象。隨著頻率升高，電流主要分布在導(dǎo)體表層，導(dǎo)致導(dǎo)體的有效截面積減小、電阻增大，從而影響信號(hào)傳輸性能。

Q6什么是Delta-L測(cè)試？

Delta-L 是英特爾為描述 PCB 電氣性能而引入的測(cè)量方法。Delta-L 損耗測(cè)試方案能夠，高效表征 PCB 損耗、幫助設(shè)計(jì)人員選擇合適的 PCB 材料、方便 PCB 損耗的批量測(cè)試。Delta-L測(cè)試做兩套有同樣過孔的夾具，夾具A線長(zhǎng)為X1，夾具B線長(zhǎng)為X2，分別測(cè)出這兩條PCB走線+過孔的IL，然后相減在除以線長(zhǎng)差，那么就可以得到除掉過孔后PCB走線每單位長(zhǎng)度上的IL，然后根據(jù)DUT的線長(zhǎng)就可以得到?jīng)]有過孔影響的插入損耗，而且不需要SOLT以及TRL校準(zhǔn)。

Q7開窗沉金會(huì)減少傳輸線損耗嗎？

沉金工藝能夠顯著提升導(dǎo)電性、耐腐蝕性和抗氧化性，從而減少信號(hào)衰減和反射，提高信號(hào)傳輸質(zhì)量?。具體來說，沉金層的存在可以降低接觸電阻，減少信號(hào)衰減和干擾，這對(duì)于高頻信號(hào)的傳輸尤為重要?。此外，沉金還能有效防止金屬表面的氧化和腐蝕問題，進(jìn)一步提高信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性?。

第三關(guān)：阻抗

Q8什么是TDR測(cè)試？

TDR（ Time-Domain Reflectometry），又叫時(shí)域反射計(jì)，它的測(cè)試原理是，當(dāng)信號(hào)傳輸路徑中發(fā)生阻抗變化時(shí)，一部分信號(hào)會(huì)被反射，另一部分信號(hào)會(huì)繼續(xù)沿傳輸路徑傳輸。通過測(cè)量反射波的電壓幅度，從而計(jì)算出阻抗的變化；同時(shí)，只要測(cè)量出反射點(diǎn)到信號(hào)輸出點(diǎn)的時(shí)間值，就可以計(jì)算出傳輸路徑中阻抗變化點(diǎn)的位置。另外，還可以定位斷點(diǎn)或短路點(diǎn)的具體位置，當(dāng)傳輸線上存在寄生電容、電感（如過孔）時(shí)，在TDR曲線上可以反映出寄生參數(shù)引起的阻抗不連續(xù)。

Q9用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試阻抗時(shí)，源信號(hào)上升沿時(shí)間如何設(shè)置?

矢網(wǎng)測(cè)試特性阻抗主要是頻率逆傅里葉變換到時(shí)域進(jìn)行分析的，所以上升沿的快慢主要取決于矢網(wǎng)測(cè)試的最高頻率范圍。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）測(cè)試阻抗時(shí)，源信號(hào)上升沿時(shí)間（Rise Time）的設(shè)置直接影響測(cè)試的分辨率和信號(hào)質(zhì)量。

上升沿時(shí)間是指，信號(hào)從10%到90%幅值的變化時(shí)間（通常用 tr 表示，單位：ps/nS）。上升沿越陡峭（tr 越?。?，信號(hào)包含的高頻成分越多，能探測(cè)到更小的阻抗變化和更近的缺陷；上升沿時(shí)間與頻域帶寬成反比。

Q10TDR測(cè)試阻抗，結(jié)果會(huì)不會(huì)受階躍信號(hào)上升沿退化的影響？如何影響？

會(huì)，上升沿的快慢主要影響的是阻抗測(cè)試的時(shí)間分辨率，PCB測(cè)試中，高時(shí)間分辨率有助于發(fā)現(xiàn)更短的斷路或更接近的缺陷點(diǎn)。但如果傳輸線很長(zhǎng)衰減很大就可能會(huì)導(dǎo)致特性阻抗測(cè)試的向上漂移，這種情況可以采取漂移阻抗的斜率補(bǔ)償來進(jìn)行修正。斜率補(bǔ)償一般是針對(duì)阻抗隨某個(gè)參數(shù)（如溫度、頻率）的變化趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)整。例如，在溫度變化時(shí)，阻抗可能會(huì)有線性或非線性的漂移，通過建立數(shù)學(xué)模型，利用已知的變化斜率來修正測(cè)量結(jié)果。

Q11VNA 測(cè)阻抗，起始/終止頻率設(shè)定以后，上升沿時(shí)間還需要設(shè)定嗎?

儀器會(huì)根據(jù)被測(cè)件的長(zhǎng)度優(yōu)化一個(gè)滿足測(cè)試的上升沿時(shí)間，也可以對(duì)這個(gè)上升沿時(shí)間進(jìn)行修改，但最小的可設(shè)置上升沿時(shí)間由測(cè)試的頻率范圍決定。

Q12TDR信號(hào)在PCB板上傳輸后，經(jīng)過容性負(fù)載和感性負(fù)載后，會(huì)不會(huì)影響TDR的上升時(shí)間，最終影響測(cè)試分辨率？

會(huì)，經(jīng)過容性負(fù)載和感性負(fù)載后會(huì)影響TDR的信號(hào)測(cè)試（有會(huì)頻率的濾波效應(yīng)），所以需要使用寬帶的電容或電感來減低頻響帶寬對(duì)測(cè)試的影響。

第四關(guān)：頻率

Q13VNA TDR 選件 start頻率默認(rèn)300K 和設(shè)置為10MHz TDR測(cè)試結(jié)果有多大區(qū)別？

VNA TDR測(cè)試時(shí)，儀器是沒有辦法從DC測(cè)試開始，所以DC的值是由低頻插值獲得的。理論上起始頻率越低插值的精度就會(huì)越高，測(cè)試的結(jié)果也就越精確。

較高的start頻率（如10MHz）可能會(huì)提供更好的時(shí)間分辨率，能夠檢測(cè)更小的阻抗變化或更近的故障點(diǎn)，但同時(shí)可能會(huì)引入更多的噪聲或?qū)UT的高頻特性敏感。而較低的start頻率（如300kHz）可能更適合長(zhǎng)距離測(cè)試或?qū)Ω哳l不敏感的應(yīng)用，但分辨率較低。

PCB測(cè)試中，考慮不同的start頻率如何影響對(duì)微小走線缺陷的檢測(cè)能力，還需要考慮測(cè)試系統(tǒng)的帶寬限制，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的最高頻率和起始頻率共同決定了實(shí)際使用的頻段。

Q14網(wǎng)分的IFBW設(shè)定規(guī)則是什么？

中頻帶寬是指網(wǎng)絡(luò)分析儀中中頻濾波器的帶寬。它決定了能夠通過該濾波器的信號(hào)頻率范圍，在測(cè)量過程中起著過濾噪聲、提高測(cè)量精度的作用。

矢網(wǎng)的中頻帶寬IFBW的設(shè)置可以改善接收機(jī)的性噪比，從而改善矢網(wǎng)的測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍。但I(xiàn)FBW設(shè)置的越小儀器的測(cè)試速度也會(huì)變慢，所以IFBW的設(shè)置是測(cè)試精度/動(dòng)態(tài)和測(cè)試速度的折中。在網(wǎng)絡(luò)分析儀（網(wǎng)分）中，IF（Intermediate Frequency，中頻）設(shè)定是一個(gè)關(guān)鍵操作，它直接影響測(cè)量的速度、精度和動(dòng)態(tài)范圍。

精度要求高時(shí)減小 IF BW，精度要求低時(shí)增大 IF BW。速度優(yōu)先時(shí)增大 IF BW，速度要求不高時(shí)減小 IF BW。動(dòng)態(tài)范圍要求高時(shí)減小 IF BW，動(dòng)態(tài)范圍要求低時(shí)增大 IF BW。

Q15實(shí)際操作中，如何對(duì) IF 進(jìn)行設(shè)定？

在進(jìn)行 IF 設(shè)定之前，需要先了解被測(cè)器件的信號(hào)特性、帶寬、動(dòng)態(tài)范圍等參數(shù)，以便根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的 IF BW，初步設(shè)定個(gè)IFBW進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。如果測(cè)量結(jié)果的精度、速度或者動(dòng)態(tài)范圍不符合要求，可以適當(dāng)調(diào)整 IF BW 并再次進(jìn)行測(cè)量，直到獲得滿意的結(jié)果為止。

Q16如果是NRZ 32Gbps 測(cè)試帶寬，VNA頻率應(yīng)該設(shè)定到多少?

對(duì)于NRZ信號(hào)的測(cè)試，一般設(shè)置到1.25倍的符號(hào)率就可以，比如40GHz。但根據(jù)情況可以適當(dāng)擴(kuò)大一些測(cè)試頻率的上限。

第五關(guān)：校準(zhǔn)

Q17請(qǐng)問在校準(zhǔn)完成后更改上升時(shí)間變小是測(cè)試更加嚴(yán)格了嗎？什么時(shí)候會(huì)去變更上升時(shí)間呢？

校準(zhǔn)完成后減小上升時(shí)間會(huì)使當(dāng)前帶寬下比較接近上升沿的極限設(shè)置，這是的階躍信號(hào)的過沖和波動(dòng)也會(huì)變大，可能會(huì)導(dǎo)致阻抗不連續(xù)位置的測(cè)試波動(dòng)變大。所以最好是增加測(cè)試頻率范圍來減小上升沿的時(shí)間。

Q18探針的校準(zhǔn)也是使用校準(zhǔn)片 short/open/thru來校準(zhǔn)嗎？

探針臺(tái)的校準(zhǔn)過程和機(jī)械校準(zhǔn)件是類似的，都是需要通過校準(zhǔn)件Short/Open/Load/Thru來進(jìn)行校準(zhǔn)，只是矢網(wǎng)通常沒有探針臺(tái)校準(zhǔn)件的模型文件，需要自行在矢網(wǎng)中建立，或?qū)⒁延械奈募M(jìn)行導(dǎo)入。

第六關(guān)：終極挑戰(zhàn)

Q19如何選擇合適的測(cè)試工具嗎？

測(cè)試工具的選擇，是影響測(cè)試結(jié)果、測(cè)試效率的關(guān)鍵因素，那如何選擇高效、精準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)備呢？

1單儀表方案，提高測(cè)試效率：

是德科技矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，搭配S9x011軟件，可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)TDR功能，實(shí)現(xiàn)時(shí)域和頻域的全參數(shù)測(cè)試。

此外，S9x011A/B 還支持眼圖/模板模式等更精細(xì)的測(cè)量和評(píng)估，提供抖動(dòng)注入、加重、均衡功能，可以模擬真實(shí)世界的信號(hào)和環(huán)境，為數(shù)字信號(hào)完整性工程師提供了一種描述高速串行互連的“單儀表”解決方案。

圖：使用相同校準(zhǔn)方法，示波器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)同一個(gè)被測(cè)物（USB3.0）進(jìn)行 TDR 測(cè)試結(jié)果的比較

2高動(dòng)態(tài)范圍，高級(jí)校準(zhǔn)技術(shù)，提高測(cè)試精度

網(wǎng)絡(luò)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍本質(zhì)上是系統(tǒng)可以測(cè)量的功率范圍，具體可以分為接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍（真實(shí)動(dòng)態(tài)范圍）和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍（無需放大），接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍= P最大值– P最小值；系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍= P參考值– P最小值。一般我們認(rèn)為，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀動(dòng)態(tài)范圍越大，測(cè)試的精度也就越高。是德科技多款矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，具備強(qiáng)于業(yè)界的高動(dòng)態(tài)范圍。

在校準(zhǔn)過程中，是德科技N19305B 具備的高級(jí)校準(zhǔn)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)夾具移除（AFR）、TRL校準(zhǔn)件設(shè)計(jì)和驗(yàn)證向?qū)?、Differential Crosstalk 校準(zhǔn)測(cè)量向?qū)芰Α?/p>

3是德科技全系列網(wǎng)絡(luò)分析儀，覆蓋從低頻到高頻，從高性價(jià)比到高性能的全場(chǎng)景測(cè)試。

通過PNA系列臺(tái)式網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)現(xiàn)無與倫比的卓越性能——頻率覆蓋高達(dá)120 GHz，可擴(kuò)展至1.5 THz。

借助ENA系列網(wǎng)絡(luò)分析儀大幅降低測(cè)試成本——頻率覆蓋高達(dá)53 GHz。

使用PXIVNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀加速多端口設(shè)備測(cè)試——支持高達(dá)53 GHz、50端口配置。

關(guān)于是德科技

是德科技（NYSE：KEYS）啟迪并賦能創(chuàng)新者，助力他們將改變世界的技術(shù)帶入生活。作為一家標(biāo)準(zhǔn)普爾 500 指數(shù)公司，我們提供先進(jìn)的設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試解決方案，旨在幫助工程師在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中更快地完成開發(fā)和部署，同時(shí)控制好風(fēng)險(xiǎn)。我們的客戶遍及全球通信、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天與國(guó)防、汽車、半導(dǎo)體和通用電子等市場(chǎng)。我們與客戶攜手，加速創(chuàng)新，創(chuàng)造一個(gè)安全互聯(lián)的世界。