TDR 时域反射法测量 PCB 阻抗不连续点的校准与结果分析

PCB 走线的阻抗不连续（过孔、拐角、连接器、BGA 扇出颈缩）在高速信号中就是反射源——S11 在频域上看可能只是 -15 dB，但在 TDR 时域上能清晰看到“哪里 Z 变了、变了多少、有多长”。TDR 的价值不在“测绝对值准不准”，而在定位不连续点的物理位置和严重程度。下面以 Keysight DCA-X / Tektronix DSA8300 为例，覆盖校准到波形判读的全流程。

一、校准：先做“参考平面”

TDR 测量的是反射系数，但仪器内部的步进脉冲发生器和采样头之间有固定的延迟和损耗，必须校准掉。标准三步：

1. 开路校准：探头或电缆末端什么都不接，仪器记录全反射波形作为 0 dB 参考

2. 短路校准：末端接短路器，记录负全反射（-1 系数），用于校正幅度

3. 负载校准：末端接精密 50 Ω 负载，仪器自动调平基线（理想 50 Ω 时反射为 0）

校准完成后，仪器会存一组“夹具模型”，后续测 DUT 时自动减去夹具的影响。如果用的是差分 TDR（4 端口），还需要做 Thru 校准（两根探头对接），把差分模式下的共模/差模路径都校平。

⚠ 校准件的质量直接影响结果——便宜的 BNC 转 SMA 转接头在 5 GHz 以上就有 0.5 dB 损耗，建议用原厂校准件或至少是知名品牌的精密转接器。

二、测量设置：上升时间和平均次数

TDR 的分辨率取决于步进脉冲的上升时间 Tr：

• Tr = 35 ps → 空间分辨率约 3.5 mm（FR4 中 εr≈4，速度约 150 ps/inch）

• Tr = 200 ps → 空间分辨率约 20 mm

对于 PCB 走线中的过孔（长度 ~1 mm）或 BGA 扇出颈缩（~2 mm），需要 Tr ≤ 50 ps 才能分辨。大多数商用 TDR 模块（如 54754A）的 Tr 在 35–40 ps，够用。

其他参数：

• 采样点数：≥ 2048，确保长走线（30 cm）上有足够的采样密度

• 平均次数：16–64 次，降低随机噪声（但增加测量时间）

• 时间窗口：覆盖待测走线长度的 1.5 倍（例如 30 cm 走线，往返 60 cm，时间窗口设 4 ns）

# Tektronix DSA8300 TDR 设置（简化）

:TDR:CHAN1:STEP:TRISE 35PS

:TDR:CHAN1:STEP:AMPL 200MV

:ACQUIRE:POINTS 4096

:ACQUIRE:AVERAGE 32

:TDR:MEAS:RANGE 4NS

三、结果分析：从波形看“病变”

TDR 波形纵轴是阻抗 Z（Ω），横轴是时间（可换算为距离）。理想的 50 Ω 走线是一条水平线。不连续点表现为：

波形特征 对应物理结构 典型 Z 变化

先下凹后上凸（电容性） 过孔反焊盘太小、焊盘过大 50→35→50 Ω

先上凸后下凹（电感性） 过孔无 GND via 伴行、走线颈缩 50→65→50 Ω

持续下凹（低阻抗段） 参考层跨分割、走线过宽 50→40→50 Ω

持续上凸（高阻抗段） 走线过细、参考层挖空 50→70→50 Ω

振荡尾巴 末端开路/短路（连接器未匹配） 50→∞ 或 50→0

定位方法：从 TDR 起始点（一般为探头尖端）到不连续点的往返时间 t，乘以速度因子（FR4 约 150 ps/inch 或 5.9 ps/mm），除以 2，即为距离。例如 t=200 ps，距离 ≈ 200/2/5.9 ≈ 17 mm。

如果 TDR 波形在某个位置出现“台阶”（Z 突然跳变后保持新值），说明走线进入了另一个参考层（如从微带线进入带状线），阻抗可能因层叠差异而变化——这不是缺陷，但要确认新阻抗是否在设计目标内。

四、差分 TDR 的特殊判读

差分对用 TDR 时，要同时看差模阻抗 Zdiff 和共模阻抗 Zcomm：

• Zdiff 在耦合段应为 100 Ω（或 90 Ω），如果某处 Zdiff 突变而 Zcomm 不变，说明 P/N 间距变了（耦合减弱）

• Zcomm 如果出现波动，说明参考层不连续（如 GND 平面开槽），影响共模回流

差分 TDR 波形上，P 和 N 各自单端 TDR 的差异也能反映 P/N 不对称——如果 P 在某个位置有凹陷而 N 没有，说明那一侧的过孔或焊盘不对称，需要修正。

五、三个高频翻车点

• 探头接触不良：SMA 没拧紧或探针氧化，TDR 起始段会出现“假反射”（Z 先跳 10 Ω 再回来）。拧紧后用酒精清洁接触面再测。

• 校准后电缆弯曲：校准时的电缆姿态和测量时不一致，会导致电长度偏移。校准后尽量保持电缆不动，只换 DUT。

• 上升时间太慢：用 200 ps 的 TDR 模块去测 5 mm 长的过孔，波形上根本看不到凹陷，误以为“没有不连续”。换 35 ps 模块后才发现。

六、与 VNA 的互补

TDR 擅长定位，VNA 擅长定量。对于同一段走线，TDR 告诉你“在 23 mm 处有个 45 Ω 的凹陷，长度约 2 mm”，VNA 告诉你“这个凹陷在 5 GHz 处产生 -12 dB 的回损”。两者结合，既能找到病灶，又能评估它对系统的影响程度。

TDR 测 PCB 阻抗的真谛：校准做平基线、上升时间选 35–50 ps、看波形找凹陷/凸起的位置和幅度、差分对要同时看 Zdiff 和 Zcomm。这套走完，板子上的过孔、拐角、连接器不连续点无所遁形，改板时就知道该在哪一段加粗、在哪一段加 GND via。