Bạn đo một đường vi dải trên bo mạch ở 20 GHz và thấy suy hao chèn 4,2 dB. Câu hỏi tiếp theo quyết định mọi thứ: bao nhiêu là của đường truyền, bao nhiêu là của hai đầu nối SMA cùng hai đoạn dẫn nhập trên đồ gá? Không tách được thì con số ấy không dùng để so với mô phỏng hay nghiệm thu nhà cung cấp. Bù đồ gá AFR là cách Keysight tự động hoá việc tách này — nhưng nó có điều kiện áp dụng rất cụ thể, và im lặng cho kết quả sai khi các điều kiện đó không được thoả mãn.
Dưới đây là cơ chế của phương pháp, ba điều kiện bắt buộc, những chỗ nó thất bại mà không báo lỗi, và cách kiểm chứng theo IEEE 370.
Đồ gá đo làm sai lệch phép đo như thế nào
Sau khi hiệu chuẩn máy phân tích mạng, mặt phẳng chuẩn nằm ở đầu cáp đo — chỗ cắm vào đồ gá, không phải chân linh kiện. Mọi thứ giữa hai điểm đó (đầu nối, chân hàn, đoạn dẫn nhập, via) đều cộng vào kết quả.
Ba hiệu ứng chồng lên nhau. Suy hao làm S21 tụt xuống. Trễ pha làm pha quay và mọi phép đo thời gian bị lệch. Khó chịu nhất là phản xạ: mỗi điểm gián đoạn trở kháng tạo một phản xạ, các phản xạ cộng trừ theo tần số và sinh ra gợn sóng trong S21 mà người mới đọc rất dễ nhầm là cộng hưởng của chính linh kiện.
Chỉnh cổng (port extension) chỉ bù được thành phần trễ. De-embedding thật sự đòi hỏi mô hình S-parameter đầy đủ của từng nửa đồ gá, rồi lấy phép đo tổng “chia” cho hai mô hình đó theo đại số ma trận — nên vấn đề chuyển thành: lấy mô hình hai nửa đồ gá ở đâu ra.
Bù đồ gá AFR hoạt động ra sao: 2x-thru và phương pháp một cổng
Automatic Fixture Removal yêu cầu chế tạo thêm một mẫu chuẩn trên chính tấm mạch đó, rồi tự trích mô hình từ mẫu chuẩn ấy. Có hai đường:
- 2x-thru — cấu trúc gồm đúng hai nửa đồ gá nối lưng vào nhau, không có linh kiện ở giữa. Phần mềm đo rồi tách đôi thành nửa trái và nửa phải.
- Một cổng (1-port AFR) — đo riêng từng nửa, đầu còn lại để hở (open) và/hoặc chập (short). Dùng khi không có chỗ đặt cấu trúc 2x-thru, hoặc khi hai nửa đồ gá không giống nhau.
Trong PLTS (N1930xB), quy trình là trình hướng dẫn năm bước: mô tả đồ gá, khai báo mẫu chuẩn, đo mẫu chuẩn, gỡ đồ gá, lưu mô hình. Kết quả xuất được ở định dạng Touchstone (*.snp), Touchstone 2 (*.ts) hoặc Citifile (*.cti) — đây là điểm thực dụng nhất: đặc trưng đồ gá một lần, tái sử dụng cho hàng loạt phép đo. Trình hướng dẫn còn cho bật cưỡng bức thụ động và cưỡng bức tương hỗ trên mô hình trích được, cùng tham số spike tolerance giới hạn trong khoảng 1 đến 10. Với cặp vi sai trên PCB có thêm tuỳ chọn hiệu chỉnh deskew. Về quy mô, PLTS đặc trưng đồng thời được tối đa 64 đồ gá một cổng đơn cực.
Ba điều kiện bắt buộc trước khi chạy AFR
Điều kiện 1 — cùng vật liệu, tốt nhất là cùng tấm mạch. Tài liệu Keysight nói rõ: đồ gá và mẫu thru phải làm từ đúng cùng một môi trường, tốt nhất là chế tạo trên cùng một miếng vật liệu. Hằng số điện môi và hệ số tổn hao của FR-4 biến động đáng kể giữa các lô và theo cả hướng dệt sợi thuỷ tinh, nên lấy mẫu thru từ panel khác nghĩa là trừ đi một đồ gá không phải đồ gá đang dùng.
Điều kiện 2 — máy phải được hiệu chuẩn tại đầu nối đồ gá trước đã. AFR chạy sau hiệu chuẩn VNA, không thay thế nó. Mặt phẳng chuẩn chưa nằm đúng chỗ cáp cắm vào đồ gá thì phần cáp còn sót sẽ bị gán nhầm vào mô hình.
Điều kiện 3 — đồ gá phải đủ dài về mặt điện. Đây là điều kiện có con số cứng: chiều dài điện của đồ gá phải bằng ít nhất bốn lần thời gian sườn của phép đo, nếu không phần mềm báo lỗi. Tài liệu Keysight đưa ví dụ trực tiếp: phép đo tới 26,5 GHz tương ứng thời gian sườn 37,7 ps, nên chiều dài đồ gá phải đạt 4 × 37,7 ps = 151 ps. Nguyên nhân là AFR làm việc trong miền thời gian, cần cửa sổ đủ rộng để tách phản xạ của đầu nối khỏi phản xạ của linh kiện; đồ gá quá ngắn thì hai phản xạ chồng lên nhau và không thuật toán nào gỡ được.
Hệ quả thiết kế: đồ gá ngắn không phải lúc nào cũng tốt hơn — với phép đo băng rộng, đoạn dẫn nhập quá ngắn khiến AFR không chạy được.
Giới hạn của phương pháp: nơi AFR im lặng thất bại
Ghép nối giữa các đường không được gỡ ở cấu hình đơn cực nhiều cổng. Tài liệu Keysight nêu thẳng: khi dùng cấu hình đơn cực với DUT nhiều cổng, hiệu ứng ghép nối giữa các đường không được loại bỏ; chỉ cấu hình vi sai bốn cổng mới gỡ được ghép nối trong cặp. Nếu bo có xuyên âm thật giữa các kênh, phép đo đơn cực sẽ giữ nguyên xuyên âm ấy trong kết quả “đã de-embed” — cùng logic với việc đo tham số S hỗn hợp cho trở kháng vi sai và chế độ chung.
Hai nửa đồ gá không đối xứng. Phương pháp 2x-thru giả thiết cấu trúc chia đôi được. Khi chiều dài điện hoặc độ phối hợp của hai nửa khác nhau — thường gặp nếu một bên là SMA còn bên kia là bàn chông — phải đặc trưng riêng từng nửa, nếu không sai lệch bị chia đều cho hai bên và cả hai mô hình đều sai.
Đầu hở bức xạ. Phương pháp một cổng dùng open giả thiết đầu hở phản xạ toàn phần; đầu nối SMA đực để hở thì không như vậy — nó bức xạ. Tài liệu hướng dẫn thực hành của Keysight khuyến nghị: nếu đầu hở bức xạ quá nhiều như trường hợp SMA đực, hãy chuyển sang AFR một cổng dùng short.
Thêm một lưu ý: khi dải tần mẫu chuẩn hẹp hơn dải đo, phần mềm sẽ ngoại suy — mà ngoại suy là phép đoán, nên hãy đo mẫu chuẩn trên đúng dải cần dùng.
Kiểm chứng kết quả theo IEEE 370 thay vì nhìn đồ thị
Câu hỏi “de-embed thế đã đúng chưa” có đáp án định lượng. IEEE Std 370-2020 — tiêu chuẩn về đặc trưng điện của bo mạch in và liên kết đến 50 GHz — đưa ra phép thử tự nhất quán: lấy chính mẫu 2x-thru đem tự de-embed bằng mô hình vừa trích, rồi soi phần dư.
- Độ lớn suy hao chèn dư phải nhỏ hơn 0,1 dB.
- Pha dư của mẫu 2x-thru tự de-embed phải nhỏ hơn 1 độ.
- Khi so sánh miền thời gian, chênh lệch so với trở kháng chuẩn nằm trong ±2,5%.
Cơ sở rất trực tiếp: nếu mô hình hai nửa đồ gá đúng, gỡ chúng khỏi chính cấu trúc sinh ra chúng phải cho một đoạn “trong suốt” — 0 dB, 0 độ. Phần dư chính là sai số quy trình, và vượt ngưỡng nghĩa là mẫu chuẩn, hiệu chuẩn hoặc chiều dài đồ gá có vấn đề, chứ không phải linh kiện. IEEE 370 còn yêu cầu kiểm dữ liệu S-parameter theo tính thụ động, tương hỗ và nhân quả trước khi đưa vào mô phỏng — tệp Touchstone không thụ động sẽ làm mô phỏng miền thời gian phân kỳ, và lỗi thường bị đổ nhầm cho công cụ mô phỏng.
Chọn thiết bị Keysight cho bù đồ gá AFR
AFR là phần mềm chạy trên nền phần cứng VNA. Ba lựa chọn:
- Dải tần tối đa, dải động cao nhất: Keysight N5227B — 900 Hz / 10 MHz đến 67 GHz, dải động 124 dB tại 67 GHz, công suất nguồn +13 dBm ở 1 GHz và +11 dBm ở 67 GHz, tốc độ 3,6 đến 23 µs mỗi điểm. Với PLTS N1930xB, AFR cần giấy phép Advanced Calibration (5xP).
- 53 GHz trong hệ gọn, bốn cổng: Keysight P5028A Streamline — 100 kHz đến 53 GHz, bốn cổng, đầu nối 1,85 mm cái, có tuỳ chọn nguồn thứ hai (Option 402). Phần mềm AFR cho dòng USB VNA là S97007B, trích tham số S của đồ gá từ phép đo 2x-thru hoặc một cổng.
- 32 GHz đủ dùng, ưu tiên chi phí: Keysight P5026A — 100 kHz đến 32 GHz, bốn cổng, cùng nền phần mềm với P5028A.
Về hệ trở kháng: mặc định khi nạp mẫu chuẩn từ tệp là 50 Ω, nhưng đồ gá khác 50 Ω vẫn được hỗ trợ nếu trở kháng đầu vào và đầu ra khớp nhau khi dùng tuỳ chọn “Measured Fixture Z0”.
Kết luận
AFR là một phép giải ngược có điều kiện: cùng vật liệu, đã hiệu chuẩn tại đầu nối, và đồ gá dài ít nhất bốn lần thời gian sườn. Thoả ba điều kiện đó, nó cho mô hình đồ gá tái sử dụng được và tiết kiệm rất nhiều công so với TRL. Không thoả, nó vẫn chạy và vẫn ra đồ thị — chỉ là đồ thị sai. Hãy để chỉ tiêu IEEE 370 làm cổng nghiệm thu bắt buộc.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy phân tích mạng vector và bộ kit hiệu chuẩn. Để được tư vấn cấu hình VNA và phần mềm AFR, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
