【仪测高下】聊一聊TDR测试中曲线上飘现象

随着PCIe 6.0和即将到来的PCIe 7.0技术的高速发展，传输速率不断突破极限，从112Gbps到224Gbps的应用逐渐成熟，未来甚至448Gbps的高速链路也将在实际场景中落地。伴随着速率的大幅提升，高速信号的完整性（SI）问题也变得日益突出。从信号反射、串扰、到通道损耗等因素，设计和验证过程面临前所未有的挑战。在这一背景下，TDR（时域反射计）测试作为重要的测量手段，对传输线的阻抗控制及信号路径问题的定位至关重要。TDR测试不仅能够直观反映传输线的阻抗特性，还可帮助工程师快速识别故障点，是解决高速信号完整性难题的“关键武器”。

传统的TDR测试需要使用阶跃信号源和示波器，现在比较流行的另一种TDR测试是使用矢量网络分析仪来进行TDR测量，这部分的介绍可以参考本公众号以前的文章：《【实践分享】网分的TDR功能，时频域的双向奔赴》。

经常进行TDR测试的小伙伴儿都会注意到在TDR测试中，不管是示波器测试还是矢量网络分析仪测试。阻抗曲线都会随横轴（t）增加而逐渐增大，而且分别从两个端口测试，都会出现阻抗上飘的现象，如图 1所示，可以看出，从0.11 ns到3.45 ns，阻抗上升了大约7欧姆。不管是单端还是差分测试，都会观察到这种现象。

图 2 R&S 应用文档中对阻抗上飘现象的说明

今天我们就来聊一聊，传输线的损耗是如何引起阻抗上飘的现象的。

我们先复习一下《微波技术基础》中的传输线集总元件电路模型，也称为RLGC模型。TEM波的传输线需要两根导体，我们把一根长的TEM传输线看成许多长度为的传输线串联，当远远小于电磁波的波长时，我们可以用一个集总元件模型来描述，如图 3（b）所示：

图 3 TEM传输线RLGC模型

图 4 无耗传输线时域阻抗无上飘现象

图 5 文献[4]中的部分结论

文献[4]提到，工程上如果忽略趋肤效应引起交流电阻，TDR的响应应该是线性上升到无损耗时的特征阻抗与直流电阻的和：。那我们来验证一下这个结论。我们回到图 1，这个是一个PCB板上差分线的测试结果：

图 6 PCB板上的差分线

我们可以用万用表测量出每根线的直流电阻，这个电阻包括信号线上的电阻（同轴连接器内导体之间的电阻）和地上的电阻（同轴连接器外导体之间的电阻）。实际测量的结果是单根线上的信号线直流电阻约为2.4欧姆，地上的电阻约为0.3欧姆，二者之和为2.7欧姆，差分5.4欧姆。

我们使用R&S矢量网络分析仪的迹线统计功能，看一下单端TDR和差分TDR的上飘幅度（Slope）：

图 7 使用迹线统计功能，测量上飘幅度（slope）

单端阻抗上升了3.6欧姆和3.3欧姆，差分阻抗上升了7.1和7.2欧姆。跟我们计算出来的直流电阻值：单端2.7欧姆、差分5.4欧姆，不能说相同，只能说相差不大，工程上可以接受。

在有些规范中，针对TDR阻抗上飘现象，做出了规定，可以来做修正。比如Open联盟制订的千兆以太网（STP）测试规范[5]的附录B中，就规定了可以使用“slope”来对测试得到的TDR阻抗结果做修正：

图 8 Open联盟千兆以太网测试规范中的TDR阻抗修正

由此得出「结论」

TDR阻抗测试结果中，阻抗随时间逐渐增大的现象是由传输线的导体电阻引起的，导体电阻越大，阻抗上飘的斜率越大。

通过本文对TDR测试中曲线上飘现象的解析，我们可以看到高速信号完整性问题随着速率的提升变得越来越难以忽视，而TDR测试依旧是工程师们手中的利器。无论是传输线阻抗控制还是故障定位，TDR为我们提供了精准的洞察和解决思路。

参考文献：

[1] T. Bednorz, "Time Domain Measurements using Vector Network Analyzer ZNA," 30 Jul 2020. [Online]. Available: https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1ep83/1EP83_0e_TimeDomain_ZNA7.pdf.

[2] J. Zhang, D. X. Fu, M. Bian, X.-D. Cai 和 B. Sen, “Analytical Derivations of the TDR Expressions of Lossy Transmission Lines with the Other End Perfectly Matched,” 出处 12th International Workshop on the Electromagnetic Compatibility of Integrated Circuits (EMC Compo), Haining, China, 2019. 

[3] P. Liu, J. Zhang 和 J. Fang, “Accurate characterization of lossy interconnects from TDR waveforms,” 出处 IEEE 22nd Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems, 2013. 

[4] I. Novak, Y. Li, E. Kunz, S. Paydavosi, L. Kocubinski 和 K. Hinckley, “Determining PCB Trace Impedance by TDR:Challenges and Possible Solutions,” 出处 DESIGNCON 2013, Santa Clara, 2013. 

[5] O. Alliance, “Channel and Components Requirements for 1000Base-T1 Link Segment Type A (STP),” 2020.

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