PCB插入損耗的原理與測量

來源：市場資訊

（來源：明陽電路）

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PCIe 7.0 帶來的插損挑戰

SUNSHINE GLOBAL CIRCUITS

隨著AI算力需求爆發，服務器數據總線帶寬要求急劇攀升。以PCIe為例，其協議已演進至PCIe 6.0/7.0，信號速率達64GT/s并邁向128GT/s，通道配置擴至x16，通過提升頻率與并行度來實現超大帶寬通信。

與此同時，信號頻率的飆升導致PCB插入損耗呈指數增長，引發信號衰減與失真。PCB走線阻抗的不連續性會帶來反射與時序抖動，共同造成信號完整性的問題。

PCIe規范演進

PCIe 7.0為實現高達128GT/s的超高速數據傳輸，以及由此帶來的嚴苛插入損耗和阻抗設計挑戰，采取了多項協同措施。

核心在于延續PAM4調制并結合先進的FEC技術，顯著提升信號的魯棒性和抗干擾能力。此外，引入自適應均衡器動態補償傳輸鏈路的頻率響應失真，有效抵消插損的影響。

物理層設計方面，采用低損耗高速PCB材料，并將阻抗公差控制在±3到±5%以內，以減少信號衰減。

在封裝與接口層面，通過改進連接器設計縮短信號路徑、降低串擾，從而減少信號反射和損耗。

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什么是插入損耗？

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PCB中的插入損耗是指信號在通過PCB傳輸線（如走線、過孔等）時，信號強度（功率）的衰減量，通常以分貝（dB） 計量。

PCIe 7.0 對信號鏈路損耗的要求

插入損耗本質上衡量的是信號在傳播過程中能量的損失，是高速通信系統中衡量信號完整性的關鍵指標，主要由以下幾類損耗構成：

導體損耗（Conductor Loss）

在高頻和高速PCB板上，導體損耗往往占據主導地位。

當信號的頻率提高時，高頻電流傾向于在導體表面流動，導致有效導電截面積減小，電阻增加。頻率越高，趨膚深度越淺，損耗越大。

粗糙的銅表面會迫使電流路徑變長、變曲折，并產生寄生電感，顯著增加高頻下的電阻和損耗。使用更光滑的銅箔（如HVLP）可以降低該損耗。

銅面粗糙度對信號傳輸的影響

導體損耗，高頻下受趨膚效應和銅表面粗糙度影響顯著，導致信號能量以熱能形式耗散。

介質損耗（DielectricLoss）

信號在PCB板（介質材料）中傳播時，介質材料中的分子或偶極子會試圖跟隨電場方向變化而發生極化和弛豫，造成部分電能轉化為熱能，這部分損耗稱為介質損耗。簡單來說，信號的部分能量被PCB基板吸收走了。

介質損耗取決于基板材料的損耗因子（Dissipation Factor, Df，也稱損耗角正切 tanδ）。Df 值越高，介質損耗越大。

損耗大小與頻率成正比，頻率越高，介質損耗越大。

選擇Dk（介電常數）和Df（損耗因子）更低的“低損耗”高速材料是降低介質損耗的關鍵。

不同頻率下的導體損耗與介質損耗

輻射損耗（Radiation Loss）

信號能量以電磁波的形式從傳輸線結構中輻射到周圍環境中而導致的損失。傳輸線在某種程度上相當于一個低效的天線。

頻率越高，越容易輻射，損耗越大。

微帶線（信號走在表層，有裸露的場）比帶狀線（信號埋在兩層地平面之間）更容易產生輻射損耗。

較厚的基板和較低的介電常數會增加輻射損耗。

在阻抗不連續點（如連接器、過孔）和信號發射區域尤為明顯。

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插損的測試 Delta-L（Delta-Loss）

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矢量網絡分析儀（VNA）是測量插入損耗最便捷的儀表，它的每個端口內部包含有信號源和接收機，我們可以通過端口1的信號源發出信號給被測件，再由端口2的接收機測量經由被測件處理后的輸出信號，矢量網絡分析儀可以直接比較和顯示輸出信號和輸入信號的差異，即為直接測量S21參數（正向傳輸系數），從而直觀的反映信號從輸入到輸出的損耗。

Keysight PNA-N5224B（43.5GHZ）

明陽電路使用的矢量網絡分析儀

Delta-L方法是Intel開發的，通過設計兩條不同長度的傳輸線，測試它們的S參數后進行擬合運算和差值，從而得到單位長度的插入損耗。

相比直接除法，Delta L在計算差值時數學上移除測試夾具、探針、過孔等引線（Lead-in/Lead-out）的影響，從而計算出目標PCB層上純走線段的每英寸插入損耗。尤其在高速、高頻場景下顯著提升了精度和穩定性，已經成為當前PCB量產測試的主流方法。