羅德與施瓦茨ZNB40矢量網絡分析儀測試 PCB 信號結構的插入損耗

隨著數據率的不斷提升，高速數字設計的信號完整性問題變得愈加嚴苛

PCIe 5.0 的數據率為 32 GT/s，并定義了根聯合體 (RC) 和終端 (EP) 之間的最大插入損耗容許量。除了 RC 封裝件、EP 封裝件、連接器和通孔之外，這一數值主要取決于相應印刷電路板 (PCB) 層上的信號跡線。因此，信號跡線的每英寸插入損耗是一個重要指標，并需要在沒有受到任何引入線和引出線（包括 PCB 探頭和通孔）的影響下進行測量。DeltaL 算法可以輕松消去這些影響，并通過測量不同長度的測試樣板來計算 PCB 跡線的每英寸插入損耗。

圖 1：使用 DeltaL 4.0 探頭的 R&S?ZNB40 裝置

您的任務

測量特定 PCB 層上信號跡線的插入損耗時，引入線和引出線（包括 PCB 探頭和通孔）會對結果產生不利影響，因此測量感興趣區域時需要消去這些影響。DeltaL 算法專用于通過數學方式消去這些影響，并利用不同長度的信號結構計算特定 PCB 層上信號跡線的每英寸插入損耗。DeltaL 測量工作流通過 R&S?ZNx-K231 選件完全集成到 R&S?ZNA、R&S?ZNB、R&S?ZNBT 和 R&S?ZND 矢量網絡分析儀。

多方位的測試夾具表征和相應的測試夾具去嵌將矢量網絡分析儀 (VNA) 的參考面完全移到靠近被測設備 (DUT) 的新位置。這種方法可以測量各類 DUT。DeltaL 方法與此不同，而是通過算法假定 DUT 是特定 PCB 層上的擬理想傳輸線并僅具備長度和損耗特征。R&S?ZNA、R&S?ZNB、R&S?ZNBT 和 R&S?ZND 矢量網絡分析儀同樣提供多方位的測試夾具表征和去嵌工作流。相應選件包括 R&S?ZNx-K210 (EZD)、R&S?ZNx-K220 (ISD) 和 R&S?ZNx-K230 (SFD)。

如果只需測定特定 PCB 層上的每英寸插入損耗，用戶可以借助簡單而適用的 DeltaL 算法，通過三種不同的 1L、2L 或 3L 方法測量 PCB 結構并獲得相關結果。這些方法規定了跡線長度不同的所用測試樣板的數量。圖 2 顯示了使用 5" 和 2" 測試樣板的 2L 方法示例。

DeltaL 3.0 定義了探頭、探頭發射區域、間距 (1.0 mm) 和計算每英寸插入損耗的算法。這種方法最高支持 PCIe 4.0 和 20 GHz 頻率。新近擴展的 DeltaL 4.0 方法可用于 PCIe 5.0 和 PCIe 6.0，既重新定義了探頭發射區域和間距 (0.5 mm)，還將算法的適用頻率擴展至 40 GHz。R&S?ZNx-K231 選件包含新的 DeltaL 4.0 算法，并可用于 DeltaL 4.0 和 DeltaL 3.0 測量。

圖 2：使用兩個長度不同的測試樣板的 DeltaL 方法

圖 3：PacketMicro DeltaL 4.0 探頭

羅德與施瓦茨解決方案

圖 1 顯示了整體裝置，圖 3 展示了所用 DeltaL 4.0 探頭和測試電路板的特寫，圖 4 進一步展示了探頭發射區域的特寫。VNA 至同軸電纜末端使用自動校準單元 R&S?ZN-Z54 進行校準。

圖 4：PacketMicro DeltaL 4.0 探頭和測試電路板

DeltaL 工作流通過 R&S?ZNx-K231 選件完全集成到 R&S?ZNA、R&S?ZNB、R&S?ZNBT 和 R&S?ZND 矢量網絡分析儀。這支持 1L、2L 和 3L 方法（分別使用 1 個、2 個或 3 個長度不同的測試樣板）。測量程序集成到儀器中，讓用戶不必使用外部電腦進行后處理操作。

圖 5：R&S?ZNx-K231 中的 DeltaL 程序

圖 5 和圖 6 中的對話框展示了 DeltaL 測量設置，包括儀器的端口配置、DeltaL 方法選項和掃描定義。除了 S 參數之外，儀器還可以顯示 TDR 阻抗以驗證是否正確連接 DeltaL 探頭和重新調整探頭（如必要）。

圖 6：配置 R&S?ZNx-K231 的 DeltaL 設置

流程自動化

設置完成后，儀器可以開始 DeltaL 測量，并指導用戶了解 DeltaL 工作流的不同步驟。針對每種樣板長度，用戶可以選擇進行實時測量，或者加載以 Touchstone 格式保存的現有測量結果。

圖 7：DeltaL 工作流 – 3L 測試示例

圖 7 顯示了使用 10"、5" 和 2" 測試樣板的 3L 方法示例。在該例中，DeltaL 算法消去了相應的引入線和引出線影響，并提供三種每英寸插入損耗結果：如圖 2 所示，10" + 5"（感興趣區域 = 5"）、10" + 2"（感興趣區域 = 8"）和 5" + 2"（感興趣區域 = 3"）。3L 方法可提供大量信息，一般在材料選擇等早期階段使用。

圖 8：DeltaL 工作流 – 2L 測試示例

圖 8 顯示了使用 10" 和 5" 測試樣板的 2L 測量方法示例。在該例中，DeltaL 算法消去了相應的引入線和引出線影響，并僅根據可用樣板提供一種每英寸插入損耗結果：10" + 5"（感興趣區域 = 5"）。2L 方法可準確提供感興趣區域的每英寸插入損耗結果，建議在電路板采樣階段使用。1L 方法僅使用一種樣板，且并未消去引入線和引出線對測量結果的影響。這種方法適用于批量生產，可以通過多個電路板上的測試樣板提供有關生產流程趨勢和統計數據的信息。

圖 9：光滑和不光滑曲線的每英寸插入損耗

用戶獲取所有必要測試樣板的測量結果后，可以使用 DeltaL 工作流的“Run”按鈕開始相應的 DeltaL 計算。結果將顯示在新的圖表中。DeltaL 測量設置中選擇的所有頻率均帶有標記，顯示每英寸插入損耗的數值和相應的不確定度。圖 9 顯示了使用 10" 和 5" 測試樣板的 2L 方法獲得的 DeltaL 結果。橘色跡線為光滑曲線，并顯示選定頻率的標記值。藍色跡線為不光滑曲線，可用作參考和對比。

總結

R&S?ZNA、R&S?ZNB、R&S?ZNBT 和 R&S?ZND 矢量網絡分析儀提供豐富的必備功能，單機即可執行數字高速信號結構的信號完整性測試。R&S?ZNx-K231 選件包括 DeltaL 測量工作流，最高可支持 PCIe 5.0 和 PCIe 6.0 要求的 DeltaL 4.0 測量。DeltaL 4.0 是一種簡單而適用的方法，最高支持 40 GHz 頻率，并可以計算特定 PCB 層上跡線區域的每英寸插入損耗結果。