PCB传输线信号损耗测量技术（一）

摘要：在印制电路板设计、生产等过程中，传输线的信号损耗是板材应用性能的重要参数。信号损耗测试是印制电路板的信号完整性的重要表征手段之一。本文介绍了目前业界使用的几种PCB传输线信号损耗测量方法的原理和相关应用，并分析了其优势和限制。

1  前言

印制电路板（PCB）信号完整性是近年来热议的一个话题，国内已有很多的研究报道对PCB信号完整性的影响因素进行分析[1]-[4],但对信号损耗的测试技术的现状介绍较为少见。

PCB传输线信号损耗来源为材料的导体损耗和介质损耗，同时也受到铜箔电阻、铜箔粗糙度、辐射损耗、阻抗不匹配、串扰等因素影响。在供应链上，覆铜板（CCL）厂家与PCB快件厂的验收指标采用介电常数和介质损耗；而PCB快件厂与终端之间的指标通常采用阻抗和插入损耗，如图1所示。

针对高速PCB设计和使用，如何快速、有效地测量PCB传输线信号损耗，对于PCB设计参数的设定和仿真调试和生产过程的控制具有重要意义。

2  PCB插入损耗测试技术的现状

目前业界使用的PCB信号损耗测试方法从使用的仪器进行分类，可分为两大类：基于时域或基于频域。时域测试仪器为时域反射计（Time DomainReflectometry,简称TDR）或时域传输计（TimeDomain Transmission,简称TDT）；频域测试仪器为矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer,简称VNA）。在IPC-TM650试验规范中，推荐了5种试验方法用于PCB信号损耗的测试：频域法、有效带宽法、根脉冲能量法、短脉冲传播法、单端TDR差分插入损耗法。

2.1  频域法

频域法（Frequency Domain Method）主要使用矢量网络分析仪测量传输线的S参数，直接读取插入损耗值，然后在特定频率范围内（如1 GHz ~ 5 GHz）用平均插入损耗的拟合斜率来衡量板材合格/不合格。

频域法测量准确度的差异主要来自校准方式。根据校准方式的不同，可细分为SLOT（Short-Line-Open-Thru）、Multi-Line TRL（Thru-Reflect-Line）和Ecal（Electronic calibration）电子校准等方式。

SLOT通常被认为是标准的校准方法[5],校准模型共有12项误差参数，SLOT方式的校准精度是由校准件所确定的，高精度的校准件由测量设备厂家提供，但校准件价格昂贵，而且一般只适用于同轴环境，校准耗时且随着测量端数增加而几何级增长。

Multi-Line TRL方式主要用于非同轴的校准测量[6],根据用户所使用的传输线的材料以及测试频率来设计和制作TRL校准件，如图2所示。尽管Multi-Line TRL相比SLOT设计和制造更为简易，但是Multi-Line TRL方式校准耗时同样随着测量端数的增加而成几何级增长。

为了解决校准耗时的问题，测量设备厂家推出了Ecal电子校准方式[7],Ecal是一种传递标准，校准精度主要由原始校准件所确定，同时测试电缆的稳定性、测试夹具装置的重复性和测试频率的内插算法也对测试精度有影响。一般先用电子校准件将参考面校准至测试电缆末端，然后用去嵌入的方式，补偿夹具的电缆长度。如图3所示。

以获得差分传输线的插入损耗为例，3种校准方式比较如表1所示。

2.2  有效带宽法

有效带宽法（Effective Bandwidth,简称EBW）从严格意义来说是一个定性的传输线损耗α的测量，无法提供定量的插入损耗值，但是提供一个称之为EBW的参数。有效带宽法是通过TDR将特定上升时间的阶跃信号发射到传输线上，测量TDR仪器和被测件连接后的上升时间的最大斜率，确定为损耗因子，单位MV/s.更确切地说，它确定的是一个相对的总损耗因子，可以用来识别损耗在面与面或层与层之间传输线的变化[8].由于最大斜率可以直接从仪器测得，有效带宽法常用于印制电路板的批量生产测试。EBW测试示意图如图4所示。