一、PCB 插损与阻抗的基本概念

1. 插损（Insertion Loss）

插损是指信号从一端输入 PCB 传输线，到另一端输出时的功率损失。其单位常为 dB，公式为：

$$IL(dB) = -20 \log_{10} \left(\frac{V_{out}}{V_{in}}\right)$$

• 插损越大，信号能量损耗越严重。

• 插损主要由 介质损耗、导体损耗、辐射损耗 和 阻抗不匹配的反射损耗 组成。

2. 阻抗（Impedance）

阻抗是 PCB 传输线对信号的等效电气特性，一般指 特性阻抗 Zo。在高速信号设计中，常见目标阻抗为 50Ω 单端或 100Ω 差分。

若阻抗偏差过大，将引起反射，进而导致插损加剧，信号质量下降。

二、测试的重要性与挑战

1. 为什么需要测试？

• 设计验证：确保 PCB 制造工艺满足设计目标。

• 量产一致性：批量生产中检测板间一致性，保证良率。

• 系统稳定性：减少误码率（BER），提升系统带宽与可靠性。

2. 测试的挑战

• 高频信号对夹具、探针的要求极高。

• 插损与阻抗耦合，难以分离测量。

• 不同频段下损耗机制不同，需要多频点测试。

• 测试效率需兼顾精度与成本。

三、常见的 PCB 插损测试方法

1. 矢量网络分析仪（VNA）测试

• 原理：测量 S 参数（S21 插损、S11 回波损耗），频域响应直接反映插损特性。

• 优点：高精度、频段宽。

• 缺点：测试流程复杂，需昂贵设备与高质量夹具。

2. 时域反射计（TDR）方法

• 原理：利用超短脉冲注入，测量反射波形，计算阻抗不连续点。

• 优点：直观定位阻抗突变点。

• 缺点：频域精度不足，不适合高频插损测试。

3. SPP（Short-Open-Load-Through）校准法

• 原理：通过标准件校准去除测试夹具的影响。

• 优点：提升测试准确度。

• 缺点：需要额外标准件，流程复杂。

4. SDD21 标准方法（差分插损测试）

• 常用于高速差分信号，如 PCIe、USB4、SerDes。

• 通过 S 参数测量，直接计算差分插损。

四、阻抗测试的常见方法

1. TDR 测试阻抗

• 方法：利用反射波形与特性阻抗公式计算。

• 应用：常用于 PCB 制造厂的量产测试。

2. VNA 提取阻抗

• 通过 S 参数与模型拟合，得到频率相关的等效阻抗。

3. 飞针测试（生产检测）

• 方法：通过探针接触线路，测量静态阻抗值。

• 缺点：不适用于高速信号的动态测试。

五、PCB 插损与阻抗的高效测试策略

为了兼顾 高效率与高精度，以下策略在工程中具有较强实用性：

1. 夹具去嵌（De-embedding）

在高速信号测试中，夹具本身会引入损耗。通过去嵌算法，可以消除夹具影响，只保留 PCB 本体特性。

2. 结合 TDR 与 VNA 测试

• TDR 定位阻抗不连续点。

• VNA 提供频域插损数据。

• 结合使用，可快速定位问题并验证结果。

3. 标准化测试结构（Test Coupon）

在 PCB 边缘设计测试 Coupon（测试小样），与实际走线保持一致，可在量产中快速检测插损与阻抗。

4. 自动化测试平台

• 采用机器人探针与自动化 VNA/TDR 系统，大幅提高测试效率。

• 结合大数据分析，实现生产过程监控。

5. 快速仿真与测试结合

• 在设计阶段通过 2.5D/3D 电磁仿真预估插损与阻抗。

• 在测试阶段只需少量抽检，即可与仿真数据比对，提高效率。

六、未来趋势

1. 更高频率测试

• 随着 224Gbps 互联需求，插损测试频率将扩展至 60GHz 以上。

2. AI 辅助测试

• 基于机器学习的建模方法，可通过有限测试数据预测整板性能。

3. 片上监控（On-chip Monitoring）

• 高速接口芯片内置误码率监控功能，可间接验证 PCB 插损与阻抗。

结论

PCB 插损与阻抗的测试，是高速电路设计中不可或缺的环节。

• 插损反映信号能量损耗，阻抗决定反射与匹配情况。

• 常用测试手段包括 VNA、TDR、SDD21 等。

• 高效测试方法需结合 去嵌技术、自动化平台、测试 Coupon，并借助仿真提升效率。

随着高速互联的发展，未来测试将趋向 更高频率、更高自动化、与 AI 结合。掌握这些测试方法，不仅能确保产品质量，更能帮助企业在激烈的市场竞争中保持领先。