PCB新聞 - 幾種PCB傳輸線訊號損耗測量方法

1、前言

印刷電路板 信號完整性是近年來的一個熱門話題, 國內已有很多關於PCB信號完整性分析影響因素的研究報告, 但對訊號損耗測試技術的現狀介紹甚少.

PCB傳輸線的訊號損耗來源於資料的導體損耗和介質損耗，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，CCL和PCB express工廠的驗收名額採用介電常數和介電損耗。 PCB express plant和終端之間的名額通常採用阻抗和插入損耗。

對於高速PCB的設計和應用，如何快速有效地量測PCB傳輸線的訊號損耗，對PCB設計參數的設定、模擬調試和生產過程控制具有重要意義。

2、PCB插入損耗測試技術現狀

現時，行業中使用的PCB訊號損耗測量方法按使用的儀器分類，可分為兩類：基於時域的或基於頻率的。 時域測試儀器是時域反射儀（TDR）或時域傳輸儀（TDT）。 頻域測試儀器是向量網絡分析儀（VNA）。 在ipC-TM650測試規範中，推薦了五種量測PCB訊號損耗的測試方法：頻域法、有效頻寬法、根脈沖能量法、短脈衝傳播法、單端TDR差分插入損耗法。

2.1頻域法

頻域法主要使用向量網絡分析儀量測傳輸線的S參數，直接讀取插入損耗值，然後使用平均插入損耗的擬合斜率量測板在特定頻率範圍（例如1 GHz～5 GHz）內的通過/失敗。

頻域法測量精度的差异主要來自校準方法。 根據不同的校準方法，它可以細分為槽（短線開路）、多線TRL（通過反射線）和Ecal（電子校準）等。

槽通常被認為是一種標準校準方法[5]，共有12個誤差校準模型參數，槽校準管道由校準部件確定，高校准由量測設備製造商提供，但校準成本較高，通常僅適用於同軸環境， 標定耗時且隨著數量的新增而幾何增長。

多線TRL主要用於非同軸校準量測[6]。 TRL校準組件是根據用戶使用的傳輸線資料和測試頻率設計和製造的。 雖然多線TRL比槽更容易設計和製造，但多線TRL的校準時間也隨著量測端數量的新增而幾何新增。

為了解决耗時校準的問題，量測設備製造商引入了Ecal電子校準方法[7]。 Ecal是一種傳輸標準，校準主要由原始校準部件决定。 同時，測試電纜的穩定性、測試夾具的重複性和測試頻率的插值算灋也會對測試產生影響。 通常，首先使用電子校準件將基準面校準到測試電纜的末端，然後通過嵌入夾具來補償夾具的電纜長度。

以差分傳輸線的插入損耗為例，3種校準方法的比較如錶1所示。

2.2有效頻寬法

？？ 有效頻寬（EBW）嚴格來說是傳輸線損耗的定性量測。 它不提供插入損耗的定量值，而是一個稱為EBW的參數。 有效頻寬方法是通過TDR將特定上升時間的階躍訊號傳輸到傳輸線，並量測TDR儀器與被測零件連接後上升時間的斜率，該斜率被確定為損耗因數，組織為MV/s， 它確定了一個相對總損耗因數，可用於識別傳輸線表面到表面或層到層的損耗變化[8]。 由於斜率可以直接從儀器中量測，有效頻寬法通常用於印刷電路板的批量生產測試。

2.3根脈衝能量法

？？ 根衝擊能量法通常使用TDR儀器分別獲得參攷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。

2.4短脈衝傳播法

短脈衝傳播（SPP）測試原理是量測兩條不同長度的傳輸線，如30 mm和100 mm，並通過量測兩條傳輸線之間的差异來選取參數衰减係數和相位常數。 這種方法將連接器、電纜、探頭和示波器的影響降至最低。 使用高性能TDR儀器和脈衝形成網絡（IFN），測試頻率可高達40GHz。

2.5單端TDR差分插入損耗法

單端TDRto差分損耗法（SET2DIL）不同於4埠VNA差分損耗法。 TDR階躍響應傳輸到差分傳輸線，差分傳輸線端部短路。 SET2DIL方法的典型量測頻率範圍為2 GHz～12 GHz，測量精度主要受測試電纜延遲不一致和被測部件阻抗失配的影響。 SET2DIL方法的優點是不需要使用昂貴的4埠VNA及其校準組件，並且被測組件的傳輸線長度僅為VNA方法的一半。 校準元件結構簡單，校準時間也大大縮短，非常適合PCB製造的批量測試。

測試設備和測試結果

用CCL製作了介電常數為3.8、介電損耗為0.008和RTF銅箔的SET2DIL測試板、SPP測試板和多線TRL測試板。 測試設備為DSA8300採樣示波器和E5071C向量網絡分析儀； 每種方法的差分插入損耗測試結果如錶2所示。

4，章節附註

本文主要介紹了幾種量測PCB傳輸線訊號損耗的方法。 由於使用的測試方法不同，測得的插入損耗值也不同，無法直接橫向比較測試結果。 囙此，有必要根據各種科技方法的優點和局限性以及各自的要求，選擇合適的訊號損耗測試技術。