Bộ trộn tần là linh kiện khó đo nhất trên máy phân tích mạng. Với bộ lọc hay bộ khuếch đại, tín hiệu ra cùng tần số với tín hiệu vào, nên tham số S21 mô tả đầy đủ đường truyền. Bộ trộn thì không: tín hiệu RF đi vào ở một tần số, tín hiệu IF đi ra ở tần số khác. Ghi chú ứng dụng 5988-8642EN của Keysight nói rõ các phương pháp đo tham số S thông thường không còn hợp lệ trong trường hợp này, và hãng dùng khái niệm “tham số C”, gồm SC21 dạng vô hướng và VC21 dạng vector, để mô tả phép đo có đổi tần.
Bài này trình bày cách đo bộ trộn tần trên VNA theo ba nhóm đại lượng: tổn hao chuyển đổi, cách ly giữa các cổng và phối hợp trở kháng, cùng các phương pháp hiệu chuẩn tương ứng trên dòng PNA-X.
Vì sao đo bộ trộn tần trên VNA cần chế độ lệch tần
Ở chế độ bình thường, các máy thu của PNA được khoá pha theo tần số nguồn: nguồn phát ở tần số nào, máy thu dò đúng tần số đó. Với bộ trộn, máy thu phải được dò độc lập, lệch một khoảng cố định so với tần số kích thích, gọi là chế độ lệch tần (frequency offset, tuỳ chọn S93080B). Nguồn quét dải RF ở cổng 1, máy thu ở cổng 2 dò dải IF tương ứng, và nguồn thứ hai cấp tín hiệu dao động nội LO.
Hệ quả trực tiếp là mọi phép hiệu chuẩn phải bao phủ cả hai dải tần. Một phép hiệu chuẩn hai cổng chỉ ở dải RF là không đủ, vì đầu ra được đo ở một dải hoàn toàn khác.
Tổn hao chuyển đổi và ảnh hưởng của mức LO
Tổn hao chuyển đổi là tỉ số giữa công suất ở tần số đầu ra và công suất ở tần số đầu vào, tại một mức công suất LO xác định. Chữ “xác định” ở đây rất quan trọng. Tài liệu trợ giúp PNA giải thích tổn hao chuyển đổi thay đổi theo mức LO vì trở kháng của diode trong bộ trộn thay đổi theo công suất LO. Một con số tổn hao chuyển đổi không ghi kèm mức LO là con số không so sánh được.
Về pha, việc đo khó hơn nữa. Trong phép đo SC21, tín hiệu tham chiếu ở tần số vào còn tín hiệu đáp ứng ở tần số ra, nên hai pha không so với nhau được. Muốn đo pha và trễ nhóm, cần một tín hiệu tham chiếu cũng đi qua cùng một phép đổi tần, với LO đồng bộ với LO của linh kiện cần đo. Trễ nhóm, tức đạo hàm của pha theo tần số, luôn phải ghi kèm khẩu độ tính toán.
Nén chuyển đổi 1 dB
Điểm nén 1 dB cho biết mức vào tối đa mà bộ trộn còn làm việc tuyến tính. Phép đo dùng quét công suất trong chế độ lệch tần. Theo hướng dẫn của Keysight, thường đặt một bộ suy hao 6–10 dB trước đầu vào linh kiện và một bộ suy hao giữa đầu ra linh kiện với máy thu, để cả nguồn lẫn máy thu làm việc trong vùng tuyến tính của chính chúng.
Cách ly cổng: ba đường rò cần kiểm soát
Tài liệu PNA định nghĩa cách ly là mức rò, hay xuyên qua, từ cổng này sang cổng khác. Với bộ trộn có ba đường: LO sang đầu ra (LO → IF), LO sang đầu vào (LO → RF) và đầu vào sang đầu ra (RF → IF). Mỗi đường gây một vấn đề riêng: LO rò sang IF có thể làm nghẽn tầng khuếch đại IF phía sau, LO rò về RF có thể bức xạ ngược ra anten.
Khác với tổn hao chuyển đổi, cách ly cổng được đo tại chính tần số kích thích, nên không cần chế độ lệch tần. Có một lưu ý dễ bỏ qua: cách ly RF → IF phụ thuộc rất mạnh vào công suất LO, nên phải đo ở đúng mức LO làm việc bình thường chứ không phải khi tắt LO cho tiện. Cùng với cách ly, cần đo phối hợp trở kháng ở đầu vào và đầu ra, tức S11 và S22, để biết sai số mất phối hợp đang đóng góp bao nhiêu vào kết quả.
Hiệu chuẩn SMC: đo biên độ có sửa phối hợp
Phương pháp hiệu chuẩn SMC (Scalar Mixer/Converter, tuỳ chọn S93082B) là điểm khởi đầu cho đa số bài đo bộ trộn. Theo ghi chú ứng dụng 5988-8642EN, nó gồm hai bước: bước một là hiệu chuẩn hai cổng đủ 12 số hạng trên cả dải tần vào và dải tần ra, Keysight khuyên dùng ECal cho bước này; bước hai là hiệu chuẩn công suất bằng đầu đo công suất có sửa phối hợp trở kháng. Kết quả là tổn hao chuyển đổi dạng biên độ đã loại sai số mất phối hợp, cùng S11 và S22. SMC không cho pha và trễ nhóm.
Phần cứng cần có gồm đầu đo công suất, hai nguồn tín hiệu và bộ hiệu chuẩn cơ khí hoặc ECal. Tài liệu trợ giúp nêu rõ: với PNA-X có nguồn thứ hai lắp trong máy, không cần nguồn ngoài cho LO.
Hiệu quả của phép hiệu chuẩn thể hiện rõ trong ví dụ của ghi chú ứng dụng. Linh kiện là bộ hạ tần hai tầng, RF −20 dBm ở dải 9,4–10,4 GHz, LO +10 dBm, đo 2001 điểm với băng thông IF 1 kHz. Sau hiệu chuẩn SMC, phép đo loại bỏ được 2 dB suy hao cáp và 0,5 dB gợn biên độ. Nếu không hiệu chuẩn, 2 dB đó sẽ bị tính nhầm là tổn hao của bộ trộn.
Mẹo thực hành
Bộ suy hao chất lượng tốt có thể cải thiện phối hợp hiệu dụng của cổng tới gấp đôi giá trị suy hao của nó, rất hữu ích khi cổng IF của bộ trộn phối hợp kém. Nếu dùng nguồn ngoài, hãy nối chuẩn 10 MHz giữa nguồn và VNA. Với bộ đổi tần có LO nội, tần số LO phải biết trước với sai số dưới một nửa băng thông IF và phải ổn định; nếu không, tín hiệu ra sẽ rơi vào sườn bộ lọc IF hoặc ra ngoài bộ lọc, và kết quả sai mà không có cảnh báo nào.
Khi cần pha và trễ nhóm: SMC+Phase và VMC
Bộ đổi tần trong hệ thống radar hay truyền thông băng rộng thường phải được đánh giá cả độ phẳng trễ nhóm, và khi đó SMC không còn đủ.
SMC+Phase, nằm trong gói S93083B, đo tổn hao chuyển đổi, pha tương đối và trễ nhóm tuyệt đối mà không cần bộ trộn tham chiếu hay bộ trộn hiệu chuẩn. Thay vào đó, nó dùng bộ tạo lược làm chuẩn pha U9391C (26,5 GHz), U9391F (50 GHz) hoặc U9391G (67 GHz), với bước lược 10 MHz. Giới hạn cần biết: không đo được khi quét LO, và tần số bắt đầu thấp nhất là 55 MHz.
VMC (Vector Mixer/Converter), cũng trong S93083B, là phương pháp truyền thống. Nó cần một bộ trộn tham chiếu làm chuẩn pha, cùng một cặp bộ trộn hiệu chuẩn và bộ lọc có tính thuận nghịch; bộ lọc phải cho qua sản phẩm trộn mong muốn và chặn sản phẩm không mong muốn. Máy phải có bộ ghép thử cấu hình được với các vòng nối ở mặt trước, đầu vào linh kiện phải ở cổng 1, và ở vùng dải vào chồng lên dải ra, cách ly phải lớn hơn tổn hao chuyển đổi trên 10 dB.
Chọn máy Keysight để đo bộ trộn tần trên VNA
Yếu tố quyết định khi chọn máy cho bài toán bộ trộn không phải trần tần số mà là số nguồn trong máy, như đã phân tích trong bài chọn máy phân tích mạng PNA theo số nguồn nội bộ. Trên PNA-X, các tuỳ chọn 222/224 và các tuỳ chọn hai nguồn dòng 4xx bổ sung nguồn thứ hai trong máy, được Keysight mô tả là dùng làm LO khi đo bộ trộn và bộ đổi tần.
Keysight N5242B là PNA-X dải 900 Hz/10 MHz tới 26,5 GHz, cổng 3,5 mm, cấu hình 2 hoặc 4 cổng và tới 3 nguồn. Dải động hệ thống theo datasheet đạt 132 dB (điển hình 140 dB) ở 500 MHz–2 GHz và 122 dB (điển hình 135 dB) ở 24–26,5 GHz, với băng thông IF 10 Hz. Đây là lựa chọn phù hợp cho đa số bộ trộn và bộ đổi tần trong dải vi sóng thông dụng.
Khi dải IF hoặc RF vượt 26,5 GHz, Keysight N5245B mở rộng tới 50 GHz với cổng 2,4 mm, vẫn giữ cấu hình 2 hoặc 4 cổng và tới 3 nguồn. Lưu ý dải từ 900 Hz cần tuỳ chọn 205 hoặc 425, và dưới 10 MHz thì SMC cũng như SMC+Phase chỉ đo được biên độ.
Cho bước hiệu chuẩn hai cổng, mô-đun ECal Keysight N4693A dải 10 MHz–50 GHz, đầu nối 2,4 mm, hai cổng, đi cặp tự nhiên với N5245B. Mã N4693A hiện đã được Keysight thay bằng N4693D cùng dải tần, có tuỳ chọn mở rộng từ DC; cả hai phục vụ đúng bước một của quy trình SMC.
Kết luận
Để đo bộ trộn tần trên VNA đúng, hãy nhớ ba điểm. Tổn hao chuyển đổi cần chế độ lệch tần và luôn phải ghi kèm mức LO. Cách ly được đo ở tần số kích thích, nhưng phải đo khi LO đang chạy ở mức làm việc. Chọn phương pháp hiệu chuẩn theo đại lượng cần có: SMC khi chỉ cần biên độ, SMC+Phase khi cần pha và trễ nhóm mà không muốn chuẩn bị bộ trộn tham chiếu, và VMC khi hệ thống đã có sẵn bộ trộn hiệu chuẩn.
Mọi bước hiệu chuẩn đều dựa trên chuẩn của chính nó, từ ECal tới đầu đo công suất. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 và hỗ trợ hiệu chuẩn máy phân tích mạng, mô-đun ECal cùng đầu đo công suất. Để được tư vấn cấu hình đo bộ trộn hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
