Đo bộ ghép định hướng: hệ số ghép, độ định hướng và ảnh hưởng tới sai số VNA

Bộ ghép định hướng là linh kiện ít được chú ý nhất trong một hệ đo cao tần, dù hầu như mọi phép đo phản xạ đều đi qua nó. Nó nằm trong bộ thử của máy phân tích mạng, trong đầu dò công suất phản xạ của trạm phát, trong mạch giám sát của bộ khuếch đại. Khi phải đo bộ ghép định hướng như một linh kiện độc lập, kỹ sư thường dừng ở hệ số ghép và suy hao chèn. Thông số quyết định chất lượng thật sự là độ định hướng, lại hay bị đo sai hoặc bỏ qua. Bài viết này trình bày cách định nghĩa và đo từng thông số trên máy phân tích mạng vector (VNA), rồi giải thích vì sao chính độ định hướng giới hạn độ chính xác của mọi phép đo phản xạ.

Bốn cổng, bốn thông số: hệ số ghép, cách ly, độ định hướng và suy hao

Một bộ ghép định hướng có bốn cổng: cổng vào (1), cổng ra trên đường chính (2), cổng ghép (3) và cổng cách ly (4). Nhiều bộ ghép thương mại kết cuối sẵn cổng 4 bên trong nên chỉ còn ba đầu nối. Tài liệu ứng dụng AN 1287-2 của Keysight định nghĩa các đại lượng như sau:

• Hệ số ghép (coupling factor) = −10·log(công suất ở cổng ghép khi truyền thuận / công suất tới). Bộ ghép 20 dB nhận 0 dBm ở cổng vào sẽ cho −20 dBm ở cổng ghép.
• Độ cách ly (isolation) = −10·log(công suất ở cổng ghép khi truyền ngược / công suất tới). Đo bằng cách đưa tín hiệu vào từ phía cổng ra.
• Độ định hướng (directivity) = độ cách ly − hệ số ghép − suy hao đường chính, tính bằng dB. Công thức rút gọn D = I − C mà nhiều datasheet dùng đã bỏ qua suy hao đường chính.
• Suy hao chèn và hệ số sóng đứng đường chính — suy hao từ cổng 1 sang cổng 2 và mức phối hợp trở kháng của hai cổng đó.

Ví dụ trong AN 1287-2: cách ly 50 dB, hệ số ghép 20 dB, suy hao không đáng kể cho độ định hướng 30 dB. Cùng cách ly 50 dB nhưng hệ số ghép 30 dB và suy hao 10 dB thì độ định hướng chỉ còn 10 dB. Tài liệu mô tả độ định hướng là “dải động dành cho phép đo phản xạ”. Đó là cách hiểu trực quan nhất: độ định hướng cho biết bộ ghép tách được tín hiệu đi ngược khỏi tín hiệu đi thuận tốt tới đâu.

Đo bộ ghép định hướng bằng VNA: cấu hình cổng và công thức

Với VNA bốn cổng, cách làm gọn nhất là đo cùng lúc mọi đường truyền cần thiết sau một lần hiệu chuẩn. Hướng dẫn “Coupler Directivity Measurement” trong trợ giúp VNA của Keysight mô tả quy trình ba cổng:

1. Nối cổng 1 của VNA vào cổng vào bộ ghép, cổng 2 vào cổng ra, cổng 3 vào cổng ghép.
2. Hiệu chuẩn đầy đủ ba cổng — ví dụ trong tài liệu dùng mô-đun ECal N4433A — tại mặt phẳng đầu nối của bộ ghép.
3. Đo S21 (suy hao đường chính), S31 (ghép thuận) và S32 (ghép ngược, tức cách ly nhìn từ cổng ra).
4. Tính độ định hướng bằng biểu thức S32/(S31·S21), hiển thị theo dB. Ví dụ trong tài liệu quét 1–20 GHz với IFBW 30 Hz.

Biểu thức trên là tỉ số tuyến tính giữa cách ly và tích (ghép × suy hao), nên kết quả hiển thị ra một số dB âm; độ lớn của nó chính là độ định hướng. Nếu bộ ghép có cổng 4 lộ ra ngoài, cổng đó phải được kết cuối bằng tải đúng trở kháng hệ thống trong suốt phép đo. AN 1287-2 nhấn mạnh yêu cầu này cho cả phép đo ghép thuận lẫn ghép ngược. Trên VNA hai cổng vẫn đo được, nhưng phải đổi đấu nối nhiều lần và mỗi lần đổi là một lần đưa thêm sai số lặp lại của đầu nối.

Độ định hướng quyết định sai số đo phản xạ như thế nào

Bên trong VNA, bộ ghép hoặc cầu đo tách sóng phản xạ từ thiết bị cần đo (DUT) để đưa về máy thu. Nếu độ định hướng hữu hạn, một phần sóng tới lọt thẳng sang máy thu phản xạ mà không hề đi tới DUT. Máy thu nhận tổng vector của hai tín hiệu: sóng phản xạ thật và phần rò này. Khi hai tín hiệu cùng pha, suy hao phản hồi đo được thấp hơn thực tế; khi ngược pha, chúng triệt tiêu nhau và tạo ra các “hố” nhọn trên đồ thị. AN 1287-2 gọi hiện tượng này là gợn suy hao phản hồi do độ định hướng hữu hạn.

AN 1287-3 đưa ra cách ước lượng: suy hao phản hồi đo được nằm trong khoảng từ −20·log(ρ_DUT + Σρ_{sai số}) tới −20·log(ρ_DUT − Σρ_{sai số}). Áp dụng cho một DUT có suy hao phản hồi 20 dB (ρ = 0,1):

• Độ định hướng 30 dB → kết quả nằm đâu đó trong khoảng 17,6 dB tới 23,3 dB.
• Độ định hướng 40 dB → khoảng 19,2 dB tới 20,9 dB.
• Độ định hướng bằng đúng 20 dB → cận trên tiến tới vô cùng vì hai tín hiệu có thể triệt tiêu hoàn toàn.

Ví dụ gốc trong AN 1287-3 còn tệ hơn vì có thêm phối hợp tải: bộ lọc có suy hao phản hồi 16 dB, đo với độ định hướng 40 dB và phối hợp tải 18 dB, cho kết quả từ 11,4 dB tới 26,4 dB. Tài liệu ứng dụng của Marki Microwave đưa ra quy tắc dễ nhớ: độ định hướng cần tốt hơn suy hao phản hồi của DUT ít nhất 10 dB, lý tưởng là 15–20 dB. Chênh 15 dB cho sai số khoảng 1 dB; chênh 5 dB cho sai số khoảng 5 dB.

Bộ chuyển đổi cũng làm hỏng độ định hướng. Theo AN 1287-3, độ định hướng hiệu dụng xấu nhất bằng độ định hướng sau hiệu chuẩn cộng với hệ số phản xạ của bộ chuyển đổi. Một bộ chuyển đổi có VSWR 1,5:1 kéo độ định hướng hiệu dụng xuống khoảng 14 dB, dù bộ ghép bên trong có hoàn hảo đến đâu. Suy hao đặt sau bộ ghép, về phía cổng đo, làm giảm độ định hướng thô đúng gấp đôi giá trị của nó. Suy hao đặt giữa nguồn và bộ ghép, hoặc ở cổng ghép, không ảnh hưởng.

Độ định hướng thô và độ định hướng sau hiệu chuẩn của VNA

Đây là điểm dễ nhầm khi đọc datasheet VNA. Hiệu chuẩn một cổng bằng open/short/load gỡ bỏ ba số hạng sai số: độ định hướng, phối hợp nguồn và bám phản xạ. Hiệu chuẩn đầy đủ hai cổng dùng mô hình 12 số hạng. Sau hiệu chuẩn, độ định hướng không còn là độ định hướng của phần cứng mà là độ định hướng hiệu dụng. Con số này do chất lượng bộ chuẩn quyết định, cụ thể là tải chuẩn.

Bảng thông số của máy phân tích mạng PNA Keysight N5222B cho thấy rõ khác biệt. Độ định hướng thô (chưa hiệu chỉnh) là 16 dB ở 10–50 MHz, 24 dB ở 50 MHz–3,2 GHz, 23 dB ở 3,2–10 GHz và 16 dB ở 10–26,5 GHz. Sau hiệu chuẩn hai cổng đầy đủ bằng bộ chuẩn cơ khí 85052B, độ định hướng hiệu dụng đạt 48 dB ở 10 MHz–2 GHz và 44 dB ở 2–26,5 GHz. Với ECal N4691B, con số là 46–52 dB, giảm còn 44 dB ở 20–26,5 GHz. Datasheet cũng lưu ý hiệu năng thô ảnh hưởng tới độ ổn định của hiệu chuẩn. Phần cứng tốt giúp hiệu chuẩn giữ được lâu hơn, nhưng không thay được hiệu chuẩn. Bài hiệu chuẩn ECal cho VNA: nguyên lý, sai số hệ thống và lưu ý thực hành đi sâu vào cách các số hạng sai số hệ thống VNA được xác định.

Cách kiểm tra nhanh độ định hướng hiệu dụng theo AN 1287-2: gắn chuẩn short vào cổng đo, chuẩn hoá bằng chức năng data/memory, sau đó thay bằng một tải chất lượng cao. Mức đọc được lúc này chính là độ định hướng. Ví dụ trong tài liệu cho 35 dB.

Năm lưu ý khi đo bộ ghép định hướng

1. Kết cuối cổng không dùng bằng tải tốt. Tải có phản xạ lớn ở cổng cách ly hoặc cổng ra sẽ bị cộng thẳng vào kết quả cách ly và làm độ định hướng đo được xấu đi.
2. Đo độ định hướng phải có độ định hướng hệ thống tốt hơn. Muốn xác nhận một bộ ghép 30 dB, độ định hướng hiệu dụng của VNA sau hiệu chuẩn cần cao hơn đáng kể — lại là quy tắc chênh 10–15 dB.
3. IFBW hẹp cho phép đo cách ly. Cách ly thường là tín hiệu rất nhỏ; ví dụ của Keysight dùng IFBW 30 Hz để hạ tầng nhiễu.
4. Hiệu chuẩn tại mặt phẳng đầu nối của bộ ghép. Mọi bộ chuyển đổi nằm ngoài mặt phẳng hiệu chuẩn đều cộng hệ số phản xạ của chúng vào sai số.
5. Báo cáo rõ định nghĩa. Ghi rõ độ định hướng đã tính có trừ suy hao đường chính hay dùng công thức rút gọn I − C. Hai cách cho kết quả khác nhau, và datasheet của nhà sản xuất có thể dùng cách còn lại.

Chọn VNA Keysight để đo bộ ghép định hướng

Keysight P5028A là VNA USB dòng Streamline 4 cổng, 100 kHz tới 53 GHz, có tuỳ chọn nguồn thứ hai. Bốn cổng cho phép đo trọn S21, S31, S32 sau một lần hiệu chuẩn mà không phải đổi đấu nối, trong khi thân máy gọn cho bàn thử sản xuất.

Keysight E5080B ENA có bản 2 hoặc 4 cổng, dải 9 kHz tới 4,5/6,5/9/14/20 GHz hoặc 100 kHz tới 26,5/32/44/53 GHz tuỳ tuỳ chọn. Đây là cấu hình để bàn cân bằng cho phòng thí nghiệm cần đo bộ ghép, bộ chia và bộ lọc hằng ngày.

Keysight N5222B PNA phủ 10 MHz tới 26,5 GHz (xuống 900 Hz với tuỳ chọn mở rộng tần số thấp), có bản 2 cổng một nguồn hoặc 4 cổng hai nguồn. Các tuỳ chọn bộ thử 201/401 mở lối vào trực tiếp máy thu ở mặt trước, còn 219/419 thêm suy giảm và bias tee. Dải động hệ thống đạt 135–137 dB ở giữa dải. Với bộ ghép có độ định hướng cao ở băng vi ba, độ định hướng hiệu dụng 44–48 dB sau hiệu chuẩn của N5222B là mức nền cần có.

Kết luận

Đo bộ ghép định hướng đúng nghĩa là đo độ định hướng, không chỉ hệ số ghép. Ba điều cần nhớ: định nghĩa có hoặc không có suy hao đường chính, cổng không dùng phải kết cuối bằng tải tốt, và độ định hướng hiệu dụng của hệ đo phải vượt xa giá trị cần xác nhận. Cũng chính cơ chế này quyết định sai số hệ thống VNA khi đo phản xạ, nên hiểu bộ ghép cũng là hiểu vì sao hiệu chuẩn VNA bắt buộc.

Độ định hướng hiệu dụng sau hiệu chuẩn chỉ tốt bằng bộ chuẩn và bộ chuẩn còn trong hạn. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn VNA và bộ chuẩn theo ISO/IEC 17025 — liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo và lịch hiệu chuẩn.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.