Ở dưới 20 GHz, quy trình đo tham số S gần như đã thành phản xạ nghề nghiệp: cắm cáp, chạy ECal, quét, đọc S11 và S21. Nhưng khi bài toán dịch lên các dải sóng milimet phục vụ radar ô tô, backhaul, 5G FR2 hay nghiên cứu 6G, cùng một quy trình đó bắt đầu cho kết quả không lặp lại. Nguyên nhân thường không nằm ở máy, mà ở chỗ đo tham số S mmWave chạm vào ba giới hạn vật lý cùng lúc: giới hạn đầu nối đồng trục, giới hạn suy hao cáp, và giới hạn của bộ chuẩn hiệu chuẩn. Bài viết này đi qua từng giới hạn và cách kiến trúc hệ đo vượt qua chúng.
Trần tần số nằm ở đầu nối, không nằm ở máy
Điều đầu tiên cần chấp nhận: mỗi kích thước đầu nối đồng trục có một tần số cắt, phía trên đó mode truyền dẫn bậc cao bắt đầu lan truyền và phép đo mất ý nghĩa. Thang bậc này giải thích vì sao danh mục thiết bị lại phân tầng như hiện nay:
- 2,92 mm — dùng tới khoảng 40 GHz. Đây là lý do mô-đun ECal Keysight N4692A được đặc tả 10 MHz – 40 GHz.
- 2,4 mm — tới khoảng 50 GHz, tương ứng dải của ECal Keysight N4693A (10 MHz – 50 GHz, hai cổng).
- 1,85 mm — tới khoảng 67 GHz, đúng bằng trần của lớp máy PNA đầu bảng dùng cổng 1,85 mm.
- 1,0 mm — tới khoảng 110 GHz, ngưỡng thực dụng cuối cùng của đồng trục.
Hệ quả trực tiếp: bạn không thể “ép” một hệ 50 GHz chạy tới 75 GHz bằng cách đổi cáp. Muốn đi cao hơn, kiến trúc hệ đo phải đổi.
Hai kiến trúc để đo tham số S mmWave trên 67 GHz
Khi vượt trần đồng trục, có hai hướng đi và chúng phục vụ hai loại bài toán khác nhau.
Hướng thứ nhất là dải hoá theo ống dẫn sóng (banded). Mỗi bộ chuyển đổi phủ đúng một dải ống dẫn sóng tiêu chuẩn: WR-15 cho 50–75 GHz, WR-10 cho 75–110 GHz, WR-6,5 cho 110–170 GHz, WR-5,1 cho 140–220 GHz, WR-3,4 cho 220–330 GHz. Ưu điểm là hiệu năng trong dải rất tốt và suy hao thấp. Nhược điểm là mỗi lần đổi dải phải đổi phần cứng, và không có phép quét liên tục xuyên dải — điều này gây phiền phức thực sự khi linh kiện cần đặc tả cả ở tần số cơ bản lẫn hài bậc hai.
Hướng thứ hai là bộ mở rộng tần số băng rộng (broadband extender). Đây là cách Keysight tiếp cận với họ hệ thống mmWave: hệ N5290A cấu hình sẵn cho dải 900 Hz – 110 GHz với bộ mở rộng N5293AX03, còn hệ N5291A phủ 900 Hz – 120 GHz với bộ mở rộng N5295AX03. Cả hai dùng chính máy PNA hoặc PNA-X làm động cơ đo, cộng thêm bộ điều khiển test set N5292A cho cấu hình hai hoặc bốn cổng. Muốn đi xa hơn nữa, hệ N5291A có thể mở rộng lên các hệ băng rộng hai cổng 170 GHz và 220 GHz bằng N5292A tuỳ chọn 400 kết hợp bộ mở rộng N5295AX — cấu hình này đặc biệt hợp với đo trên phiến (on-wafer), nơi một lần quét liên tục quan trọng hơn hiệu năng tối ưu trong từng dải hẹp.
Điểm mấu chốt của cả hai kiến trúc: bộ mở rộng được đặt sát đầu dò hoặc sát DUT, còn đường nối về máy chính chỉ mang tín hiệu tần số thấp (IF và LO). Nhờ vậy suy hao cáp ở tần số milimet — vốn có thể lên tới hàng chục dB trên vài chục centimet — được loại khỏi đường đo.
Hiệu chuẩn: vì sao SOLT hết tác dụng và TRL lên ngôi
Ở dải RF, hiệu chuẩn SOLT (Short-Open-Load-Thru) hoạt động tốt vì ta mô hình hoá được chính xác từng chuẩn. Lên mmWave, giả định đó sụp đổ: một “open” thực tế bức xạ, một “short” có điện cảm phụ thuộc tần số, và giá trị mô hình của chúng sai lệch nhanh theo tần số. Đó là lý do phép hiệu chuẩn TRL (Thru-Reflect-Line) trở thành lựa chọn mặc định ở dải này. TRL chỉ đòi hỏi biết chính xác chiều dài đoạn line và tính đồng nhất của đường truyền, chứ không cần mô hình đầy đủ của tải chuẩn — mà chiều dài cơ khí lại chính là thứ ta chế tạo và đo được chính xác nhất ở kích thước milimet.
Với đo trên phiến, các chuẩn TRL nằm trên đế chuẩn hiệu chuẩn (ISS) đặt ngay cạnh DUT, nên mặt phẳng tham chiếu được dời tới đúng đầu mũi dò. Nếu bạn muốn ôn lại nền tảng ma trận tán xạ và ý nghĩa của việc dời mặt phẳng tham chiếu, chúng tôi đã trình bày trong bài tham số S và hiệu chuẩn VNA khi đo RFIC.
Bốn nguồn sai số chi phối kết quả ở dải milimet
Độ lặp lại của mối nối. Ở 110 GHz, bước sóng trong không khí chỉ khoảng 2,7 mm. Một sai lệch căn chỉnh mặt bích ống dẫn sóng cỡ vài chục micromet đã đủ tạo pha sai đáng kể. Với đầu nối đồng trục 1,0 mm, mô-men siết không đồng nhất gây tán xạ kết quả giữa các lần cắm — đây là lý do cờ-lê lực là thiết bị bắt buộc chứ không phải phụ kiện.
Uốn và dịch chuyển cáp sau hiệu chuẩn. Mọi thay đổi hình học của cáp sau khi hiệu chuẩn đều biến thành sai số pha. Nguyên tắc thực hành: cố định cáp bằng kẹp trước khi hiệu chuẩn, và không chạm vào chúng cho tới khi đo xong.
Trôi nhiệt. Bộ nhân tần trong extender toả nhiệt và cần thời gian ổn định. Hiệu chuẩn ngay sau khi bật máy gần như chắc chắn phải làm lại. Hãy cho hệ chạy đủ thời gian khởi động theo khuyến nghị của nhà sản xuất trước khi chạy chuẩn.
Nén dải động. Suy hao đường dẫn ở mmWave đẩy công suất tới DUT xuống thấp, khiến tỉ số tín/nhiễu giảm. Đo linh kiện suy hao lớn ở dải này thường phải giảm băng thông IF và tăng số lần lấy trung bình — đổi thời gian quét lấy độ chụm.
Chọn cấu hình theo trần tần số thực tế của dự án
Cách chọn hiệu quả nhất là đi ngược từ tần số cao nhất mà dự án thực sự cần đặc tả, cộng thêm biên độ cho hài bậc hai nếu phép đo yêu cầu.
Tới 50 GHz — phủ trọn radar ô tô 24 GHz, phần lớn linh kiện 5G FR2 dải n257/n258 và hài bậc hai của các dải dưới 26 GHz. Máy phân tích mạng PNA-X Keysight N5245B phủ 900 Hz/10 MHz – 50 GHz với hai hoặc bốn cổng, và vì là dòng PNA-X nên xử lý được cả noise figure lẫn phép đo bộ trộn/bộ đổi tần trên cùng một khung máy — hữu ích khi cùng một DUT vừa cần S-parameter vừa cần đặc tả phi tuyến.
Tới 53 GHz với ràng buộc không gian hoặc ngân sách — máy phân tích mạng vector USB Streamline Keysight P5028A phủ 100 kHz – 53 GHz, tối đa bốn cổng, điều khiển qua PC. Dạng máy này hợp với trạm đo tích hợp hoặc phòng lab cần nhiều điểm đo song song hơn là một máy để bàn duy nhất.
Tới 67 GHz — máy phân tích mạng Keysight N5227B dùng cổng 1,85 mm, có bản hai cổng một nguồn và bốn cổng hai nguồn. Máy tích hợp sẵn bộ điều chế xung và bộ phát xung nên đo S-parameter dạng xung không cần thêm phần cứng ngoài, với tốc độ trong khoảng 3,6–23 µs mỗi điểm. Về dải động hệ thống, cấu hình tuỳ chọn 400 được đặc tả 112 dB trong khoảng 64–67 GHz và đạt tới khoảng 136 dB điển hình ở vùng 500 MHz – 1 GHz — con số minh hoạ rõ việc dải động luôn suy giảm về phía đầu cao của dải.
Trên 67 GHz — bắt buộc chuyển sang kiến trúc mở rộng tần số đã mô tả ở trên. Đây là bài toán cấu hình hệ thống chứ không phải chọn một model đơn lẻ, vì còn phụ thuộc loại đầu dò, kiểu đế ISS và việc bạn cần quét liên tục hay chỉ cần từng dải riêng.
Kết luận
Đo ở dải sóng milimet không khó vì tần số cao, mà khó vì mọi sai số vốn bị bỏ qua ở dải thấp đều phóng đại lên cùng lúc. Thứ tự ra quyết định nên là: xác định trần tần số thật của dự án, chọn kiến trúc đồng trục hay mở rộng tần số, chọn phép hiệu chuẩn phù hợp với bộ chuẩn sẵn có, rồi mới bàn tới model cụ thể. Đảo ngược thứ tự này gần như luôn dẫn tới một hệ đo đúng trên giấy nhưng không lặp lại trong phòng lab.
Sau cùng, giá trị của mọi phép hiệu chuẩn TRL hay ECal đều dựa trên giả định thiết bị còn nằm trong đặc tả. Ở dải milimet, chu kỳ hiệu chuẩn bị bỏ qua sẽ biểu hiện thành sai số pha khó truy nguyên. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 — liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình hệ đo theo trần tần số của bạn, hoặc lên lịch hiệu chuẩn cho VNA và bộ chuẩn hiện có.
Trước khi tính tới bộ mở rộng tần số, hãy chốt đúng hạng máy nền. Bài chọn máy phân tích mạng PNA chỉ ra rằng cùng trần 43,5 GHz đã có cả PNA-L, PNA và PNA-X — và PNA-L ở dải này chỉ có bản hai cổng.
