高频高速PCB信号测试秘籍

作者：于洋，王欣

PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板），隐藏在各种IT、电子设备中，从服务器到智能终端，从电动汽车到卫星通信，作为信号传输的“载体”，连接成百上千个元器件。

随着5G移动通信、人工智能技术的快速发展，终端产品越来越薄，数据传输速度越来越快，对PCB的集成能力、高频高速通信能力的需求也逐步提升。

频率越高、传输速率越快，在传输中的信号损耗问题越严重。我们通常利用矢量网络分析仪对PCB进行材料介电常数/损耗因子（Dk/Df）、信号完整性SI（阻抗、上升时间、串扰等），S参数（回波损耗、插入损耗）等关键参数进行测试，确保信号在PCB电路板中传输的可靠性。

在助力客户进行PCB测试的过程中，是德科技总结出了一些“测试秘籍”。快@你身边的PCB工程师，这些从基础到测试日常的小问题，看看你能答对多少题？

第一关：基础热身

Q1你知道高频高速PCB测试挑战具体体现在哪些方面吗？

1. 高频信号完整性挑战。

10GHz以上频段，材料的介电损耗（Df）和导体损耗导致信号衰减加剧；阻抗允许误差要求更严苛，±5%甚至更严格的容差要求；高密度布局和差分信号对间的电磁耦合导致串扰，影响信号准确性。

2. 差分电路设计挑战。

差模信号与共模信号间的转换引入额外损耗和噪声，差分对间的时延不一致（Skew）导致信号失真。

3. 材料特性复杂性挑战。

材料的介电常数（Dk）和介质损耗（Df）随频率变化，传统固定模型无法满足仿真需求；混合材料的玻纤与树脂分布不均，导致等效Dk/Df波动。

4. 测试效率与成本压力。

开发周期缩短，需快速完成设计验证与量产测试，节省费用、所有测试集中在一台仪表，成为设备商的新需求。

Q2PCB物理层测试的关键参数有哪些？分别是什么意思？

关键参数主要表现在，插入损耗、回波损耗等基本S参数，FEXT、NEXT、PS_Crosstalk、ICR、ICN、Jitter、差分对延时、眼图等，介电常数(D k)/介质损耗(D f)等材料参数的测试。

• 参数名称

插入损耗

• 定义

信号在传输路径中的功率损耗，通常随频率增加而增大，以dB表示。

• 测试方法

使用矢量网络分析仪(VNA)测量S参数中的S21（正向）或S12（反向）。

• 参数名称

回波损耗

• 定义

因阻抗不匹配导致的反射信号功率与输入功率的比值，回波损耗是反射信号低于入射信号的dB 数，以-dB表示，绝对值越大越好。

• 测试方法

使用VNA测量S参数中的S11（输入端口反射）或S22（输出端口反射）。

• 参数名称

FEXT (远端串扰)

• 定义

干扰信号在相邻通道远端产生的串扰，通常以dB表示。

• 测试方法

使用VNA测量远端端口。

• 参数名称

NEXT (近端串扰)

• 定义

与发送端处于同一边的（近端）接收端处所感应到的从发送线发送过来的串扰信号。

• 测试方法

使用VNA测量近端端口。

• 参数名称

PS_Crosstalk (电源层串扰)

• 定义

电源层噪声对信号层的耦合干扰。

• 测试方法

使用VNA或示波器结合专用电源完整性夹具，测量电源噪声对信号的影响。

• 参数名称

ICR (插入损耗变化率)

• 定义

插入损耗在不同频率或环境条件下的变化率。

• 测试方法

基于VNA在不同频率下测量的插入损耗数据，计算其斜率或标准差。

• 参数名称

ICN (插入损耗噪声)

• 定义

插入损耗中的随机波动成分，反映信号传输的稳定性。

• 测试方法

通过VNA多次测量插入损耗并分析其噪声频谱或标准差。

• 参数名称

差分对延时 (Differential Pair Delay)

• 定义

高速PCB中经常采用多条差分路径传输。所以Skew又分为对内延时差（Intra-pair Skew）和对间延时差（Inter-pair Skew）。对内延时差是指同一对差分线间两条单端传输线single-end Delay之差，对间延时差是指不同对差分线间Differential Delay之差。

• 测试方法

使用时域反射计(TDR)或高速示波器测量差分信号的时间差。

• 参数名称

眼图 (Eye Diagram)

• 定义

多个信号周期叠加形成的图形，用于评估信号完整性（如噪声、抖动等）。眼图可以显示出数字信号的传输质量，是对数字信号质量的一种快速而又非常直观的观测手段。

• 测试方法

使用高速示波器捕获信号波形，通过叠加生成眼图，结合分析软件评估参数。

• 参数名称

介电常数 (Dk)

• 定义

材料存储电场能量的能力，影响信号传播速度。

• 测试方法

采用谐振腔法、传输线法或VNA结合同轴/微带夹具测量，通过S参数反推Dk。

• 参数名称

介质损耗 (Df)

• 定义

材料耗散电场能量的能力，以损耗角正切表示。

• 测试方法

使用与Dk相同的方法，分析S参数或Q值计算损耗角正切。

Q3PCB测试的xy方向和z方向是什么意思？

XY 方向（平面内方向）：XY 方向是 PCB 平面内的二维方向，即平行于 PCB 表面的两个正交轴。X 轴：水平方向（如 PCB 的长边）；Y 轴：垂直方向（如 PCB 的短边），XY 平面：由铜箔走线、微带线、带状线等构成的信号传输层。

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），对应 PCB 的层叠方向。Z 轴：从 PCB 顶层到底层的垂直方向；Z 方向特性：涉及层间耦合、过孔（via）性能、材料垂直方向的介电常数等。

第二关：损耗

Q4PCB传输信号过程中介质损耗和导体损耗怎么区分？

PCB 上的信号传输损耗（Loss）可分为导体损耗（LC）和介质损耗（LD）。介质损耗，就是在PCB材料介质层面传输产生的损耗，导体损耗可分为表面粗糙度引起的散射损耗和趋肤效应损耗。介质损耗和导体损耗这两个损耗的模型是不一样的，所以可以在总体的损耗中将不同的损耗部分提取出来。

Q5什么是导体的趋肤效应？

趋肤效应（Skin Effect）是指导体在高频交流电作用下，电流密度从导体内部向表面逐渐集中的现象。随着频率升高，电流主要分布在导体表层，导致导体的有效截面积减小、电阻增大，从而影响信号传输性能。

Q6什么是Delta-L测试？

Delta-L 是英特尔为描述 PCB 电气性能而引入的测量方法。Delta-L 损耗测试方案能够，高效表征 PCB 损耗、帮助设计人员选择合适的 PCB 材料、方便 PCB 损耗的批量测试。Delta-L测试做两套有同样过孔的夹具，夹具A线长为X1，夹具B线长为X2，分别测出这两条PCB走线+过孔的IL，然后相减在除以线长差，那么就可以得到除掉过孔后PCB走线每单位长度上的IL，然后根据DUT的线长就可以得到没有过孔影响的插入损耗，而且不需要SOLT以及TRL校准。

Q7开窗沉金会减少传输线损耗吗？

沉金工艺能够显著提升导电性、耐腐蚀性和抗氧化性，从而减少信号衰减和反射，提高信号传输质量‌。具体来说，沉金层的存在可以降低接触电阻，减少信号衰减和干扰，这对于高频信号的传输尤为重要‌。此外，沉金还能有效防止金属表面的氧化和腐蚀问题，进一步提高信号传输的稳定性‌。

第三关：阻抗

Q8什么是TDR测试？

TDR（ Time-Domain Reflectometry），又叫时域反射计，它的测试原理是，当信号传输路径中发生阻抗变化时，一部分信号会被反射，另一部分信号会继续沿传输路径传输。通过测量反射波的电压幅度，从而计算出阻抗的变化；同时，只要测量出反射点到信号输出点的时间值，就可以计算出传输路径中阻抗变化点的位置。另外，还可以定位断点或短路点的具体位置，当传输线上存在寄生电容、电感（如过孔）时，在TDR曲线上可以反映出寄生参数引起的阻抗不连续。

Q9用矢量网络分析仪测试阻抗时，源信号上升沿时间如何设置?

矢网测试特性阻抗主要是频率逆傅里叶变换到时域进行分析的，所以上升沿的快慢主要取决于矢网测试的最高频率范围。在矢量网络分析仪（VNA）测试阻抗时，源信号上升沿时间（Rise Time）的设置直接影响测试的分辨率和信号质量。

上升沿时间是指，信号从10%到90%幅值的变化时间（通常用 tr 表示，单位：ps/nS）。上升沿越陡峭（tr 越小），信号包含的高频成分越多，能探测到更小的阻抗变化和更近的缺陷；上升沿时间与频域带宽成反比。

Q10TDR测试阻抗，结果会不会受阶跃信号上升沿退化的影响？如何影响？

会，上升沿的快慢主要影响的是阻抗测试的时间分辨率，PCB测试中，高时间分辨率有助于发现更短的断路或更接近的缺陷点。但如果传输线很长衰减很大就可能会导致特性阻抗测试的向上漂移，这种情况可以采取漂移阻抗的斜率补偿来进行修正。斜率补偿一般是针对阻抗随某个参数（如温度、频率）的变化趋势进行调整。例如，在温度变化时，阻抗可能会有线性或非线性的漂移，通过建立数学模型，利用已知的变化斜率来修正测量结果。

Q11VNA 测阻抗，起始/终止频率设定以后，上升沿时间还需要设定吗? 

仪器会根据被测件的长度优化一个满足测试的上升沿时间，也可以对这个上升沿时间进行修改，但最小的可设置上升沿时间由测试的频率范围决定。

Q12TDR信号在PCB板上传输后，经过容性负载和感性负载后，会不会影响TDR的上升时间，最终影响测试分辨率？

会，经过容性负载和感性负载后会影响TDR的信号测试（有会频率的滤波效应），所以需要使用宽带的电容或电感来减低频响带宽对测试的影响。

第四关：频率

Q13VNA TDR 选件 start频率默认300K 和设置为10MHz TDR测试结果有多大区别？

VNA TDR测试时，仪器是没有办法从DC测试开始，所以DC的值是由低频插值获得的。理论上起始频率越低插值的精度就会越高，测试的结果也就越精确。

较高的start频率（如10MHz）可能会提供更好的时间分辨率，能够检测更小的阻抗变化或更近的故障点，但同时可能会引入更多的噪声或对DUT的高频特性敏感。而较低的start频率（如300kHz）可能更适合长距离测试或对高频不敏感的应用，但分辨率较低。

PCB测试中，考虑不同的start频率如何影响对微小走线缺陷的检测能力，还需要考虑测试系统的带宽限制，矢量网络分析仪的最高频率和起始频率共同决定了实际使用的频段。

Q14网分的IFBW设定规则是什么？

中频带宽是指网络分析仪中中频滤波器的带宽。它决定了能够通过该滤波器的信号频率范围，在测量过程中起着过滤噪声、提高测量精度的作用。

矢网的中频带宽IFBW的设置可以改善接收机的性噪比，从而改善矢网的测试动态范围。但IFBW设置的越小仪器的测试速度也会变慢，所以IFBW的设置是测试精度/动态和测试速度的折中。在网络分析仪（网分）中，IF（Intermediate Frequency，中频）设定是一个关键操作，它直接影响测量的速度、精度和动态范围。

精度要求高时减小 IF BW，精度要求低时增大 IF BW。速度优先时增大 IF BW，速度要求不高时减小 IF BW。动态范围要求高时减小 IF BW，动态范围要求低时增大 IF BW。

Q15实际操作中，如何对 IF 进行设定？

在进行 IF 设定之前，需要先了解被测器件的信号特性、带宽、动态范围等参数，以便根据实际情况选择合适的 IF BW，初步设定个IFBW进行测量，并对测量结果进行评估。如果测量结果的精度、速度或者动态范围不符合要求，可以适当调整 IF BW 并再次进行测量，直到获得满意的结果为止。

Q16如果是NRZ 32Gbps 测试带宽，VNA频率应该设定到多少 ? 

对于NRZ信号的测试，一般设置到1.25倍的符号率就可以，比如40GHz。但根据情况可以适当扩大一些测试频率的上限。

第五关：校准

Q17请问在校准完成后更改上升时间变小是测试更加严格了吗？什么时候会去变更上升时间呢？

校准完成后减小上升时间会使当前带宽下比较接近上升沿的极限设置，这是的阶跃信号的过冲和波动也会变大，可能会导致阻抗不连续位置的测试波动变大。所以最好是增加测试频率范围来减小上升沿的时间。

Q18探针的校准也是使用校准片 short/open/thru来校准吗？

探针台的校准过程和机械校准件是类似的，都是需要通过校准件Short/Open/Load/Thru来进行校准，只是矢网通常没有探针台校准件的模型文件，需要自行在矢网中建立，或将已有的文件进行导入。

第六关：终极挑战

Q19如何选择合适的测试工具吗？

测试工具的选择，是影响测试结果、测试效率的关键因素，那如何选择高效、精准的测试设备呢？

1单仪表方案，提高测试效率：

是德科技矢量网络分析仪，搭配S9x011软件，可实现增强TDR功能，实现时域和频域的全参数测试。

此外，S9x011A/B 还支持眼图/模板模式等更精细的测量和评估，提供抖动注入、加重、均衡功能，可以模拟真实世界的信号和环境，为数字信号完整性工程师提供了一种描述高速串行互连的“单仪表”解决方案。

图：使用相同校准方法，示波器和矢量网络分析仪对同一个被测物（USB3.0）进行 TDR 测试结果的比较

2高动态范围，高级校准技术，提高测试精度

网络分析仪的动态范围本质上是系统可以测量的功率范围，具体可以分为接收机动态范围（真实动态范围）和系统动态范围（无需放大），接收机动态范围 = P最大值 – P最小值；系统动态范围 = P参考值 – P最小值。一般我们认为，矢量网络分析仪动态范围越大，测试的精度也就越高。是德科技多款矢量网络分析仪，具备强于业界的高动态范围。

在校准过程中，是德科技N19305B 具备的高级校准功能，能够实现自动夹具移除（AFR）、TRL校准件设计和验证向导、Differential Crosstalk 校准测量向导能力。

3是德科技全系列网络分析仪，覆盖从低频到高频，从高性价比到高性能的全场景测试。

通过PNA系列台式网络分析仪实现无与伦比的卓越性能——频率覆盖高达120 GHz，可扩展至1.5 THz。

借助ENA系列网络分析仪大幅降低测试成本——频率覆盖高达53 GHz。

使用PXI VNA矢量网络分析仪加速多端口设备测试——支持高达53 GHz、50端口配置。

关于是德科技

是德科技（NYSE：KEYS）启迪并赋能创新者，助力他们将改变世界的技术带入生活。作为一家标准普尔 500 指数公司，我们提供先进的设计、仿真和测试解决方案，旨在帮助工程师在整个产品生命周期中更快地完成开发和部署，同时控制好风险。我们的客户遍及全球通信、工业自动化、航空航天与国防、汽车、半导体和通用电子等市场。我们与客户携手，加速创新，创造一个安全互联的世界。