Một đầu đo báo “0 dBm”. Tín hiệu là xung radar có tỉ số đỉnh trên trung bình 20 dB. Con số đó là công suất trung bình, còn đỉnh thật đang ở +20 dBm — vượt trần đầu đo và có thể đã làm hỏng phần tử cảm biến từ lâu. Đo công suất đỉnh và đo công suất trung bình là hai phép đo khác nhau, dùng hai loại phần cứng khác nhau, và chỗ nhầm lẫn tốn kém nhất nằm ngay trên tờ thông số: cùng một đầu đo có thể ghi hai dải động khác nhau mà nhiều người chỉ đọc con số rộng hơn.
Một con số công suất không nói tín hiệu của bạn là gì
Ba đại lượng hay bị gọi chung là “công suất”:
- Công suất trung bình: trung bình của công suất tức thời trên một khoảng thời gian dài so với chu kỳ điều chế. Đây là đại lượng liên quan tới nhiệt và tới tuổi thọ linh kiện.
- Công suất đỉnh của bao hình: giá trị lớn nhất của bao hình công suất. Đây là đại lượng làm bão hoà bộ khuếch đại và làm méo tín hiệu.
- Công suất đỉnh trong xung: trung bình trong phần đỉnh của một xung, sau khi loại quá xung và gợn.
Tỉ số giữa đỉnh và trung bình quyết định phép đo nào là phép đo bạn cần. Với sóng mang liên tục chưa điều chế, tỉ số đó bằng 1 và mọi đầu đo cho cùng kết quả. Với tín hiệu OFDM nhiều sóng mang, tỉ số này thường trên 10 dB; với xung radar chu kỳ nhiệm vụ thấp, nó có thể vượt 20 dB. Cùng một máy phát, ba đại lượng trên chênh nhau hàng chục dB — nên câu “công suất bao nhiêu” chưa phải một câu hỏi hoàn chỉnh.
Ba họ cảm biến và vùng luật bình phương
Phần tử cảm biến quyết định đầu đo trả về đại lượng nào.
Cảm biến nhiệt điện trở và cảm biến cặp nhiệt điện hoạt động theo nguyên lý nhiệt: công suất RF được hấp thụ, làm nóng phần tử, và nhiệt độ tăng được đọc ra. Vì nhiệt là tích phân theo thời gian của công suất tức thời, hai loại này cho công suất trung bình thật bất kể dạng điều chế. Đó là lý do cảm biến cặp nhiệt điện được dùng làm chuẩn đối chiếu trong phòng đo lường. Đổi lại, chúng chậm và không thể theo bao hình.
Cảm biến điốt chỉnh lưu tín hiệu RF. Ở mức công suất thấp, đặc tuyến của điốt gần đúng là hàm bình phương: điện áp ra tỉ lệ với bình phương điện áp vào, tức tỉ lệ với công suất. Vùng làm việc này gọi là vùng luật bình phương, và chỉ trong vùng đó điốt mới cho công suất trung bình thật của tín hiệu điều chế. Khi mức tăng lên, điốt chuyển dần sang chế độ tách bao hình tuyến tính theo điện áp — kết quả vẫn đọc được nhưng không còn là công suất trung bình của tín hiệu phức tạp. Đây là lý do một cảm biến điốt dải rộng chỉ hợp chuẩn cho sóng mang liên tục ở phần trên của dải, trong khi vẫn đo đúng tín hiệu điều chế ở phần dưới.
Danh mục cảm biến hiện nay của Keysight trải từ một chiều tới 220 GHz với dải động tổng cộng từ −70 dBm đến +44 dBm. Không có cảm biến nào phủ hết dải đó; con số ấy là của cả họ sản phẩm, không phải của một đầu đo.
Dải động trên tờ thông số là hai dải, không phải một
Đây là chỗ dễ mất tiền nhất. Lấy hai đầu đo có thật làm ví dụ.
Cảm biến cặp nhiệt điện N8487A ghi dải 50 MHz đến 50 GHz và −35 dBm đến +20 dBm. Một dải, một con số, dùng cho mọi dạng tín hiệu — vì nguyên lý nhiệt không phân biệt điều chế.
Cảm biến đỉnh và trung bình U2021XA ghi dải 50 MHz đến 18 GHz, nhưng dải động của nó được ghi làm hai dòng: −30 dBm đến +20 dBm ở chế độ đỉnh và chế độ cửa thời gian, và −45 dBm đến +20 dBm ở chế độ chỉ đo trung bình. Chênh lệch 15 dB ở đầu dưới không phải lỗi in ấn: để bám được bao hình, mạch tách phải làm việc ở băng thông rộng, và băng thông rộng kéo theo nền nhiễu cao hơn. Nếu bạn chọn đầu đo dựa trên con số −45 dBm rồi lại dùng nó ở chế độ đỉnh, mức thấp nhất đo được thật sự là −30 dBm.
Quy tắc đọc tờ thông số: luôn tìm xem dải động được ghi cho chế độ nào. Nếu tài liệu chỉ ghi một dòng và đầu đo có chức năng đo đỉnh, hãy hỏi lại. Nguyên tắc “đọc dải đo nhỏ nhất chứ không đọc độ phân giải hiển thị” cũng đúng ở đây, giống như khi chọn bộ suy hao RF phải nhìn vào bước suy hao và trần tần số chứ không nhìn con số tổng.
Băng thông video: giới hạn thật của phép đo đỉnh
Với phép đo trung bình, tốc độ không quan trọng. Với đo công suất đỉnh, tốc độ là tất cả. Hai thông số khống chế:
Băng thông video là băng thông của đường bao hình sau tách sóng. Nó quyết định sườn bao hình nhanh nhất mà đầu đo còn tái tạo trung thực. U2021XA có băng thông video 30 MHz. Nếu bao hình của bạn có sườn nhanh hơn phần này cho phép, đỉnh đo được sẽ thấp hơn đỉnh thật — và sai theo hướng an toàn giả tạo, tức bạn tưởng bộ khuếch đại chưa bão hoà trong khi nó đã bão hoà.
Tốc độ lấy mẫu quyết định độ phân giải thời gian của biểu đồ bao hình. U2021XA lấy mẫu 80 triệu mẫu mỗi giây và trả về tới 25.000 số đọc mỗi giây, kèm chức năng chỉnh không và hiệu chuẩn nội bộ.
Cách kiểm tra nhanh xem băng thông video có đủ hay không: đo cùng một xung ở hai mức băng thông video khác nhau nếu đầu đo cho phép chọn. Nếu đỉnh đọc được đổi, băng thông đang là yếu tố khống chế chứ không phải tín hiệu. Nguyên lý này giống hệt cách một máy hiện sóng thiếu băng thông làm sườn tín hiệu chậm đi, chỉ khác là ở đây phép đo diễn ra trên bao hình chứ không trên sóng mang.
Cây quyết định: chọn đầu đo theo dạng tín hiệu
- Tín hiệu là sóng mang liên tục chưa điều chế? Bất kỳ họ cảm biến nào cũng đúng. Chọn theo dải tần và độ bất định mong muốn.
- Tín hiệu có điều chế nhưng bạn chỉ cần công suất trung bình? Dùng cảm biến nhiệt, hoặc cảm biến điốt nhưng phải giữ mức làm việc trong vùng luật bình phương.
- Bạn cần biết đỉnh, hoặc cần đo theo cửa thời gian trong một khe phát? Bắt buộc dùng cảm biến đỉnh và trung bình, và phải kiểm băng thông video so với sườn bao hình.
- Bạn cần độ bất định nhỏ nhất cho chuẩn đối chiếu? Cảm biến nhiệt, đo ở giữa dải động, kèm hiệu chuẩn có truy xuất chuẩn.
Với các phép đo mà tỉ số đỉnh trên trung bình lớn và tín hiệu là dạng điều chế phức tạp, hãy đối chiếu kết quả đầu đo với phép đo trên máy phân tích tín hiệu — cách làm quen thuộc khi đo EVM 5G FR2 mmWave, nơi công suất và chất lượng điều chế phải nhất quán với nhau.
Chọn đầu đo và máy đo công suất Keysight
Cận cảnh thân cảm biến Keysight N8487A với đầu nối đồng trục và nhãn thông số.
Ba lựa chọn dưới đây phủ ba vùng bài toán khác nhau.
Khi cần chuẩn đối chiếu và phép đo trung bình đúng với mọi dạng điều chế, cảm biến công suất nhiệt điện Keysight N8487A là lựa chọn có căn cứ: 50 MHz đến 50 GHz, −35 dBm đến +20 dBm, nguyên lý nhiệt nên không phụ thuộc dạng sóng.
Khi bài toán là xung, khe phát hoặc bao hình có tỉ số đỉnh trên trung bình lớn, cảm biến công suất đỉnh USB Keysight U2021XA cho 50 MHz đến 18 GHz với băng thông video 30 MHz, lấy mẫu 80 MSa/s và hai dải động tách bạch cho chế độ đỉnh và chế độ trung bình.
Khi phòng đo cần một khung máy để bàn dùng chung cho nhiều cảm biến thay vì gắn từng đầu đo USB vào máy tính, máy đo công suất trung bình Keysight N1914B là cấu hình hiện hành — Keysight công bố đây là bản thay thế cho N1914A đã ngừng sản xuất, nên đừng chọn model cũ cho hệ thống dựng mới.
Kết luận
Trước khi chọn đầu đo công suất RF, hãy trả lời ba câu: tín hiệu có điều chế không, bạn cần đỉnh hay cần công suất trung bình, và sườn bao hình nhanh cỡ nào. Ba câu đó quyết định họ cảm biến. Sau đó mới đọc dải động — và đọc đúng dòng ứng với chế độ bạn sẽ dùng, không đọc con số rộng nhất trên trang.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Nếu bạn cần chọn cấu hình đầu đo và máy đo công suất cho một dạng tín hiệu cụ thể, hoặc cần hiệu chuẩn cảm biến để hệ số hiệu chuẩn có chuỗi truy xuất chuẩn, hãy gọi 0908 173 345.
