1簡介

印刷電路板 (PCB) 信號完整性是近年來的熱門話題。 國內關於PCB信號完整性影響因素分析的研究報告很多，但是信號損耗測試對目前技術狀況的介紹比較少見。

PCB傳輸線信號損耗的來源是材料的導體損耗和介質損耗，同時還受到銅箔電阻、銅箔粗糙度、輻射損耗、阻抗失配、串擾等因素的影響。 在供應鏈中，覆銅板（CCL）製造商和PCB快遞製造商的驗收指標使用介電常數和介電損耗； 而PCB快遞廠家與終端之間的指標通常使用阻抗和插入損耗，如圖1所示。

PCB印製電路板信號完整性影響因素分析

對於高速PCB設計和使用，如何快速有效地測量PCB傳輸線的信號損耗，對於PCB設計參數的設置、仿真調試、生產過程的控制等具有重要意義。

2、PCB插入損耗測試技術現狀

目前業界採用的PCB信號損耗測試方法，從使用的儀器來分類，可分為基於時域和基於頻域兩大類。 時域測試儀器為時域反射計（TDR）或時域傳輸計（TImeDomain Transmission，TDT）； 頻域測試儀器是矢量網絡分析儀 (VNA)。 在IPC-TM650測試規範中，推薦了五種PCB信號損耗測試的測試方法：頻域法、有效帶寬法、根脈衝能量法、短脈衝傳播法、單端TDR差分插入損耗法。

2.1 頻域法

頻域法主要是利用矢量網絡分析儀測量傳輸線的S參數，直接讀取插入損耗值，然後利用特定頻率範圍（如1GHz~ 5 GHz) 測量電路板的通過/失敗。

頻域法測量精度的差異主要來自校準方法。 根據校準方法的不同，可細分為SLOT（Short-Line-Open-Thru）、MulTI-Line TRL（Thru-Reflect-Line）和Ecal（Electronic calibraTIon）電子校準方法。

SLOT 通常被認為是一種標準的校準方法 [5]。 校準模型有 12 個誤差參數。 SLOT 方法的校準精度由校準部件決定。 高精度校準件由測量設備製造商提供，但校準件價格昂貴，且一般只適用於同軸環境，校準耗時且隨著測量終端數量的增加呈幾何級數增長。

MulTI-Line TRL 方法主要用於非同軸校準測量[6]。 根據用戶使用的傳輸線材質和測試頻率，設計生產TRL校準件，如圖2所示。 Multi-Line TRL雖然比SLOT更容易設計和製造，但校準時間為Multi-Line TRL方法也隨著測量終端數量的增加呈幾何級數增長。

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為了解決校準耗時的問題，測量設備製造商推出了Ecal電子校準方法[7]。 Ecal 是一種傳輸標準。 標定精度主要由原廠標定件決定。 同時對測試電纜的穩定性和測試夾具裝置的重複性進行測試。 性能和測試頻率的插值算法也對測試精度有影響。 一般使用電子校準套件將參考面校準到測試電纜的末端，然後使用去嵌入的方法補償夾具的電纜長度。 如圖 3 所示。

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以獲取差分傳輸線的插入損耗為例，三種校準方法的比較如表1所示。

2.2 有效帶寬法

有效帶寬（EBW）是嚴格意義上傳輸線損耗α的定性度量。 它不能提供插入損耗的定量值，但它提供了一個稱為 EBW 的參數。 有效帶寬法是將具有特定上升時間的階躍信號通過TDR傳輸到傳輸線，測量TDR儀器與DUT連接後上升時間的最大斜率，確定為損耗因子，單位為MV /秒。 更準確地說，它確定的是相對總損耗因子，可用於識別從表面到表面或層到層的傳輸線損耗的變化[8]。 由於可以直接從儀器測量最大斜率，因此有效帶寬法通常用於印刷電路板的批量生產測試。 EBW測試示意圖如圖4所示。

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2.3 根脈衝能量法

Root ImPulse Energy (RIE) 通常使用 TDR 儀器獲取參考損耗線和測試傳輸線的 TDR 波形，然後對 TDR 波形進行信號處理。 RIE測試流程如圖5所示：

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2.4 短脈衝傳播法

短脈衝傳播法（Short Pulse Propagation，簡稱SPP）測試原理是測量兩條不同長度的傳輸線，例如30mm和100mm，通過測量兩者的差值來提取參數衰減係數和相位傳輸線長度。 常數，如圖 6 所示。使用這種方法可以最大限度地減少連接器、電纜、探頭和示波器精度的影響。 如果使用高性能TDR儀器和IFN（脈衝形成網絡），測試頻率可以高達40GHz。

2.5 單端TDR差分插損法

單端 TDR 差分插入損耗 (SET2DIL) 與使用 4 端口 VNA 的差分插入損耗測試不同。 該方法使用二端口TDR儀器將TDR階躍響應傳輸到差分傳輸線，將差分傳輸線的末端短接，如圖7所示。SET2DIL方法的典型測量頻率範圍為2 GHz ~ 12 GHz，測量精度主要受測試電纜延遲不一致和被測器件阻抗不匹配的影響。 SET2DIL 方法的優點是無需使用昂貴的 4 端口 VNA 及其校準部件。 被測部分傳輸線的長度僅為VNA方法的一半。 標定部分結構簡單，標定時間大大減少。 它非常適合PCB製造。 批量測試，如圖8所示。

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3 測試設備及測試結果

SET2DIL測試板、SPP測試板和Multi-Line TRL測試板採用CCL製作，介電常數為3.8，介電損耗為0.008，RTF銅箔； 測試設備為DSA8300採樣示波器和E5071C矢量網絡分析儀； 每種方法的差分插入損耗測試結果如表2所示。

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4結論

本文主要介紹目前業界常用的幾種PCB傳輸線信號損耗測量方法。 由於使用的測試方法不同，測得的插入損耗值不同，不能直接橫向比較測試結果。 因此，應根據各種技術方法的優點和局限性，結合自身需要，選擇合適的信號損耗測試技術。