Ở 28 GHz, bài toán đo là chọn đúng máy phân tích tín hiệu. Ở 150 GHz, máy phân tích chỉ còn là một mắt xích — và thường không phải mắt xích quyết định. Đo kiểm sub-THz là bài toán ngân sách: cộng từng decibel tổn hao từ đầu ra thiết bị cần đo cho tới cổng trung tần của máy, rồi so phần còn lại với nền nhiễu. Bài này đi vào phần số học đó — bảng băng ống dẫn sóng và quy tắc sinh ra nó, phương trình trộn hài, và cách dựng một bảng ngân sách công suất đọc được.
Ở sub-THz, bài toán không còn nằm ở máy phân tích
Về lộ trình chuẩn hoá, 3GPP đã có nghiên cứu riêng cho dải trên 52,6 GHz trong báo cáo kỹ thuật TR 38.807 — nghiên cứu yêu cầu cho NR trên 52,6 GHz, xét các sóng mang trong khoảng 52,6 GHz đến 100 GHz. Còn dải 7 đến 24 GHz, hay FR3, thuộc một báo cáo khác là TR 38.820; hai tài liệu này hay bị dẫn nhầm cho nhau. Bối cảnh phổ tần và lộ trình 6G đã được trình bày trong bài Đo kiểm 6G: dải tần sub-THz và những thách thức đo lường mới; bài này đi tiếp vào phần phần cứng và số học của chuỗi đo.
Điều thay đổi bản chất khi lên trên 110 GHz: cáp đồng trục hết cửa, kết nối chuyển sang ống dẫn sóng; máy phân tích không còn thu trực tiếp mà phải hạ tần bằng bộ trộn ngoài; và công suất sẵn có ở đầu phát thường chỉ vài dBm hoặc thấp hơn. Ba thay đổi đó cộng lại làm ngân sách công suất trở thành phép tính bắt buộc chứ không phải tuỳ chọn.
Băng ống dẫn sóng: bảng tra và quy tắc sinh ra nó
Ống dẫn sóng chữ nhật không có một “dải tần” tuỳ ý. Nó bị chặn dưới bởi tần số cắt của mode cơ bản và bị chặn trên bởi thời điểm mode bậc cao bắt đầu lan truyền. Hai quy ước tạo ra toàn bộ bảng tra:
- Số hiệu WR chính là chiều rộng thành trong của ống, tính bằng phần trăm inch. WR-10 nghĩa là 0,100 inch, tức 2,54 mm.
- Tần số cắt của mode cơ bản tính theo fc = c / (2a), với a là chiều rộng thành trong.
- Dải làm việc khuyến nghị trải khoảng từ 125% đến 189% tần số cắt.
Áp ba quy tắc này lên WR-10: a = 2,54 mm cho fc ≈ 59 GHz, nhân 1,25 và 1,89 được khoảng 74 đến 112 GHz — đúng dải 75 đến 110 GHz ghi trong mọi tài liệu. Làm tương tự với WR-6.5 (0,065 inch, đôi khi viết là WR-6): fc ≈ 91 GHz, dải làm việc ra khoảng 114 đến 172 GHz, tức băng D 110 đến 170 GHz mà ngành đang tập trung cho 6G. Bảng tra không phải danh sách phải học thuộc; nó là hệ quả của một phép chia.
Hệ quả thực hành quan trọng hơn con số: ống càng nhỏ thì tổn hao trên mỗi mét càng lớn, vì tổn hao vách tăng theo tần số và tiết diện thu nhỏ lại. Ở băng D, một đoạn ống dài vài chục centimét đã là một khoản đáng kể trong ngân sách. Nguyên tắc bố trí vì thế đảo ngược so với dải vi ba: đưa bộ trộn tới sát thiết bị cần đo, rồi chạy trung tần bằng cáp đồng trục về máy, thay vì kéo dài ống dẫn sóng.
Bộ trộn ngoài: phương trình trộn hài và cái giá của bậc hài
Máy phân tích tín hiệu không có bộ dao động nội ở 150 GHz. Cách giải là dùng bộ trộn ngoài làm việc trên một hài của dao động nội, theo quan hệ:
fIF = | N × fLO − fRF |
trong đó N là bậc hài. Máy cấp dao động nội ở dải vài chục gigahertz qua cáp đồng trục; điốt trong bộ trộn tạo hài bậc N; hài đó trộn với tín hiệu sub-THz và cho ra trung tần nằm gọn trong dải thu của máy.
Cái giá phải trả nằm ở ba chỗ:
Một, tổn hao chuyển đổi lớn và tăng theo bậc hài. Ngay ở băng V 50 đến 75 GHz, bộ trộn hài thương mại đã có tổn hao chuyển đổi khoảng 20 đến 30 dB. Lên băng D với bậc hài cao hơn, con số này còn lớn hơn. Đây thường là khoản trừ lớn nhất trong toàn bộ ngân sách. Cũng vì vậy, dùng dao động nội có tần số cơ bản cao hơn — tức bậc hài N thấp hơn cho cùng một tần số RF — sẽ giảm tổn hao chuyển đổi.
Hai, đáp ứng ảnh và đáp ứng giả. Vì trộn xảy ra trên nhiều bậc hài cùng lúc, một tín hiệu thật ở tần số này có thể hiện ra ở nhiều vị trí trên màn hình, và những vạch không có thật cũng xuất hiện. Bộ trộn ngoài thông minh khắc phục bằng cách cung cấp cho máy dữ liệu bậc hài, tổn hao đường dao động nội và bảng hiệu chuẩn tổn hao chuyển đổi, để máy tự bù và tự nhận dạng vạch thật.
Ba, cần bộ tách/ghép khi dao động nội và trung tần đi chung một cáp. Với dòng bộ trộn ngoài kinh điển của Keysight, cấu hình này đòi thêm một bộ diplexer bên ngoài — Keysight bán dưới mã N9029AE13. Đây là chi tiết hay bị bỏ sót khi lập danh mục vật tư.
Ngân sách công suất: cộng dB từ đầu này tới đầu kia
Bảng ngân sách cho một phép đo băng D điển hình gồm các dòng sau, và mọi dòng đều mang dấu trừ trừ dòng đầu:
- Công suất ra của thiết bị cần đo, tính bằng dBm. Ở sub-THz đây thường là một con số nhỏ.
- Tổn hao ống dẫn sóng từ thiết bị tới bộ trộn, kể cả mọi mặt bích nối. Mỗi mặt bích lệch trục là thêm một khoản.
- Tổn hao chuyển đổi của bộ trộn — thường là khoản lớn nhất.
- Tổn hao cáp trung tần về máy.
- Kết quả: mức tín hiệu tại cổng trung tần, đem so với nền nhiễu hiển thị của máy trong băng thông phân giải đang dùng.
Quy tắc đọc kết quả: dải động khả dụng là hiệu giữa mức tín hiệu còn lại và nền nhiễu. Nếu hiệu đó nhỏ hơn dải động mà phép đo đòi hỏi — ví dụ đo mặt nạ phổ phát hay đo mức phát xạ ngoài băng — thì không có cách nào cứu bằng phần mềm; phải rút ngắn ống dẫn sóng, đổi bộ trộn có tổn hao thấp hơn, hoặc thu hẹp băng thông phân giải và chấp nhận quét lâu hơn.
Lưu ý về nền nhiễu: thu hẹp băng thông phân giải mười lần hạ nền nhiễu 10 dB, nhưng cũng làm thời gian quét dài ra tương ứng. Ở sub-THz, đây thường là đòn bẩy rẻ nhất còn lại sau khi đã tối ưu phần cứng.
Ba bẫy thực hành ở băng D
Bẫy thứ nhất — mặt bích. Ở băng D, bước sóng trong ống chỉ vài milimét. Một mặt bích lắp lệch hoặc chốt định vị mòn tạo ra bất liên tục trở kháng đủ lớn để làm hỏng phép đo. Hãy dùng mặt bích có chốt định vị, siết đều theo thứ tự chéo, và kiểm tra lặp lại bằng cách tháo lắp rồi đo lại: nếu kết quả đổi quá vài phần mười dB, cơ khí đang là nguồn sai số chi phối.
Bẫy thứ hai — quên cộng tổn hao đường dao động nội. Cáp mang dao động nội tới bộ trộn cũng có tổn hao, và nếu công suất dao động nội tới bộ trộn không đủ, tổn hao chuyển đổi tăng vọt so với giá trị ghi trên tờ thông số. Triệu chứng điển hình: phép đo cho mức thấp hơn dự kiến vài dB một cách khó hiểu và không lặp lại được giữa hai lần lắp.
Bẫy thứ ba — đo dẫn khi đáng lẽ phải đo bức xạ. Ở các dải này, phần lớn thiết bị thật không có cổng đo dẫn: ăng-ten tích hợp ngay trong gói linh kiện. Khi đó bài toán chuyển thành đo qua không gian, với toàn bộ hệ quả về căn chỉnh chùm tia và tổn hao đường truyền — cùng họ vấn đề đã bàn khi đo EVM 5G FR2 mmWave và kiểm thử OTA, chỉ khác là ở sub-THz mọi sai lệch căn chỉnh đều đắt hơn nhiều.
Chọn máy phân tích tín hiệu Keysight cho đo kiểm sub-THz
Cận cảnh màn hình cảm ứng và khối phím của Keysight N9041B khi đo phổ.
Điểm cần cân nhắc khi chọn máy không phải là trần tần số của riêng máy, mà là trần tần số cộng với khả năng làm việc với bộ trộn ngoài và băng thông phân tích còn lại sau khi hạ tần.
Với phòng đo cần quét liên tục lên tới 110 GHz mà không phải đổi băng, máy phân tích tín hiệu UXA Keysight N9041B phủ liên tục từ 3 Hz đến 110 GHz với nền nhiễu hiển thị −150 dBm/Hz lên tới 110 GHz, băng thông phân tích 1 GHz nội bộ và mở rộng tới 5 GHz khi ghép với máy hiện sóng ngoài. Máy có hai đầu nối: loại 1 mm cho toàn dải và loại 2,4 mm chắc chắn hơn cho tín hiệu tới 50 GHz — chi tiết đáng nhớ vì đầu nối 1 mm rất dễ hỏng nếu siết sai lực.
Khi bài toán nghiêng về băng thông phân tích rộng cho dạng sóng 6G thay vì trần tần số tuyệt đối, máy phân tích tín hiệu UXA Keysight N9042B là lựa chọn cân đối hơn trong cùng dòng UXA. Với các phép đo còn nằm dưới ngưỡng mmWave và ưu tiên chi phí sở hữu, máy phân tích tín hiệu UXA Keysight N9040B vẫn là nền tảng hợp lý để dựng năng lực trước, mở rộng lên bộ trộn ngoài sau.
Kết luận
Đo kiểm sub-THz thành hay bại ở bảng ngân sách chứ không ở tên máy. Hãy dựng bảng đó trước khi mua bất cứ thứ gì: công suất ra của thiết bị, tổn hao ống dẫn sóng và mặt bích, tổn hao chuyển đổi của bộ trộn ngoài, tổn hao cáp trung tần, rồi so phần còn lại với nền nhiễu. Nếu bảng đó không đủ dải động, thêm một máy phân tích đắt tiền hơn cũng không giải quyết được — mắt xích hỏng nằm ở phía trước nó.
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 dựng bảng ngân sách công suất cho một cấu hình băng D cụ thể, hoặc cần hiệu chuẩn máy phân tích tín hiệu và phụ kiện mmWave để phép đo có chuỗi truy xuất chuẩn, hãy gọi 0908 173 345.
