Một bộ lọc có cổng SMA cái ở cả hai đầu, một bộ chuyển tiếp ống dẫn sóng sang đồng trục, hay một mô-đun có đầu 3,5 mm ở cổng này và N ở cổng kia: cả ba đều không thể thay thế cho một đoạn nối thẳng khi hiệu chuẩn máy phân tích mạng vector. Nếu cứ chèn thêm bộ chuyển đổi sau khi hiệu chuẩn, sai số của chính bộ chuyển đổi đó sẽ nằm lại trong kết quả. Hiệu chuẩn loại bỏ bộ chuyển đổi (adapter removal) là một trong những kỹ thuật được xây dựng để xử lý đúng tình huống này. Bài viết trình bày định nghĩa linh kiện non-insertable, nguyên lý hai lần hiệu chuẩn, yêu cầu về bộ chuyển đổi, so sánh với các phương án THRU khác mà Keysight khuyến nghị hiện nay, và cách chọn thiết bị.
Linh kiện non-insertable là gì và vì sao nó làm khó phép hiệu chuẩn VNA
Tài liệu trợ giúp của dòng PNA/PNA-X phân biệt hai loại linh kiện theo đầu nối. Linh kiện lắp ghép được (insertable) có hai đầu nối cùng loại, khác giới tính hoặc không có giới tính, nên về nguyên tắc hai đầu nối đó có thể cắm thẳng vào nhau. Linh kiện non-insertable thì không: hai đầu nối hoặc khác loại, hoặc cùng giới tính. Ghi chú ứng dụng AN 1287-3 của Keysight diễn đạt theo cách khác: linh kiện non-insertable là linh kiện không thể thay thế cho một đoạn nối thẳng có chiều dài bằng không.
Vấn đề nằm ở bước THRU của phép hiệu chuẩn hai cổng. Với linh kiện insertable, hai cổng đo sau khi gắn chuẩn open, short, load có thể cắm trực tiếp vào nhau để đo THRU. Với linh kiện non-insertable, hai cổng đo cũng mang đúng cặp đầu nối của linh kiện, nên chúng không cắm được vào nhau. Người đo buộc phải chèn một bộ chuyển đổi vào đường THRU, và bộ chuyển đổi đó có tổn hao, có độ phản xạ, có chiều dài điện riêng. Bài tham số S và hiệu chuẩn VNA khi đo RFIC đã trình bày mô hình sai số 12 thành phần; ở đây câu hỏi là làm sao để bộ chuyển đổi không trở thành một thành phần sai số bị bỏ quên.
AN 1287-3 đưa ra một con số dễ nhớ: một bộ chuyển đổi có VSWR 1,5:1 gắn thêm sau khi hiệu chuẩn sẽ kéo độ định hướng hiệu dụng của bộ ghép đo xuống khoảng 14 dB. Ghi chú đó cũng cảnh báo rằng sai số này thường bị bỏ qua, và việc xếp chồng nhiều bộ chuyển đổi làm vấn đề nặng thêm.
Nguyên lý hiệu chuẩn loại bỏ bộ chuyển đổi
Theo trợ giúp PNA/PNA-X, phép hiệu chuẩn loại bỏ bộ chuyển đổi gồm hai lần hiệu chuẩn hai cổng đầy đủ: một lần với bộ chuyển đổi gắn ở cổng 1, một lần với bộ chuyển đổi gắn ở cổng 2. Trong mỗi lần, bộ chuyển đổi đóng vai trò phần mở rộng của một cổng, nên hai cổng lúc đó cắm được vào nhau và bước THRU thực hiện bình thường. Hai bộ hệ số sai số thu được có mặt phẳng tham chiếu khác nhau ở phía có bộ chuyển đổi.
Phần mềm máy đo kết hợp hai bộ hệ số này và tính ra một bộ hiệu chuẩn hai cổng duy nhất, trong đó độ không phối hợp do bộ chuyển đổi gây ra đã được đặc trưng và loại bỏ. Sau bước tính toán, bộ chuyển đổi được tháo ra và máy sẵn sàng đo linh kiện ở đúng hai mặt phẳng đầu nối của nó. Trên PNA, phương pháp này được chọn trong trình hướng dẫn SmartCal bằng ô Modify ở hộp thoại chọn đầu nối và bộ kit của DUT.
Để làm được, trợ giúp PNA nêu hai điều kiện: một bộ chuyển đổi THRU có đầu nối khớp với đầu nối của linh kiện, và đủ chuẩn hiệu chuẩn cho cả hai loại đầu nối của linh kiện. Nói cách khác, nếu linh kiện có đầu 3,5 mm và đầu N, bạn cần cả kit 3,5 mm lẫn kit N, cộng một bộ chuyển đổi 3,5 mm sang N.
Yêu cầu về chiều dài điện: đặc trưng hoá bộ chuyển đổi ở mức nào là đủ
Phần mềm phải biết pha của bộ chuyển đổi đủ để không nhầm nghiệm. AN 1287-3 yêu cầu chiều dài điện của bộ chuyển đổi được khai báo chính xác trong phạm vi một phần tư bước sóng tại mỗi tần số hiệu chuẩn. AN 1287-11 (5989-4840EN) nói cùng ý theo cách khác: giá trị trễ không cần quá chính xác, nhưng pha phải đúng trong phạm vi ±90° ở mọi điểm tần số. Trợ giúp của dòng ENA E5071C thêm yêu cầu bộ chuyển đổi phải tương hỗ (S21 = S12) và có tuỳ chọn Rotate Adapter xoay pha thêm 180° khi thuật toán tự đoán pha thất bại.
Trong thực tế, đặc trưng hoá bộ chuyển đổi ở mức này chỉ cần một ước lượng trễ hợp lý, ví dụ đo sơ bộ trên chính máy VNA. Cái cần tránh là khai báo trễ lệch tới mức pha nhảy sang nhánh khác ở tần số cao, khi một phần tư bước sóng chỉ còn vài milimét.
So sánh adapter removal với Unknown Thru, ECal và hoán đổi bộ chuyển đổi
AN 1287-3 (bản năm 2014) gọi adapter removal là quy trình hiệu chuẩn đầy đủ và chính xác nhất cho linh kiện non-insertable. Trợ giúp PNA/PNA-X và E5080B hiện hành lại xếp thứ tự khác. Chúng nêu Unknown Thru, còn gọi là SOLR (Short-Open-Load-Reciprocal Thru), là phương pháp THRU được ưu tiên cho linh kiện non-insertable. Lý do là độ chính xác của hai phương pháp rất gần nhau, nhưng Unknown Thru cần ít lần tháo lắp hơn nên có khả năng chính xác hơn. Kỹ sư cần biết cả hai quan điểm để không bị lẫn khi đọc tài liệu cũ.
- Unknown Thru (SOLR): THRU là một linh kiện tương hỗ bất kỳ, nhiều khi chính DUT dùng được làm THRU. Trợ giúp PNA không khuyến nghị dùng khi tổng tổn hao của THRU và đường hiệu chuẩn từ 40 dB trở lên. Pha của THRU cũng phải biết trong phạm vi một phần tư bước sóng.
- Adapter removal: độ chính xác rất gần Unknown Thru, nhưng hai lần hiệu chuẩn đầy đủ nghĩa là nhiều lần cắm tháo hơn, và mỗi lần cắm là một lần góp thêm sai số lặp lại đầu nối.
- ECal User Characterization: gắn bộ chuyển đổi lên mô-đun ECal rồi đo lại các chuẩn bên trong kể cả bộ chuyển đổi; dữ liệu đặc trưng của nhà máy không bị xoá. Trợ giúp PNA gọi đây là phương án LUÔN làm được khi có đúng bộ chuyển đổi, đổi lại độ chính xác giảm mỗi lần tháo rồi lắp lại bộ chuyển đổi vào ECal.
- Hoán đổi bộ chuyển đổi (swap equal adapters): dùng hai bộ chuyển đổi có độ phối hợp, trở kháng đặc tính, tổn hao và trễ như nhau. Sai số còn lại bằng đúng phần chênh lệch giữa hai bộ chuyển đổi. Trợ giúp hiện hành ghi rõ phương pháp này KHÔNG được khuyến nghị vì Unknown Thru vừa tiện hơn vừa chính xác hơn.
Cây quyết định khi gặp linh kiện non-insertable
Từ các điều kiện trên có thể rút ra một trình tự chọn phương pháp:
- Linh kiện, hoặc một bộ chuyển đổi, có tương hỗ và tổng tổn hao đường THRU dưới 40 dB không? Nếu có, dùng Unknown Thru.
- Không dùng được Unknown Thru (THRU không tương hỗ, tổn hao quá lớn, hoặc quy trình nội bộ còn chỉ định adapter removal): có đủ kit chuẩn cho cả hai loại đầu nối và biết chiều dài điện của bộ chuyển đổi trong phạm vi một phần tư bước sóng không? Nếu có, dùng adapter removal.
- Chỉ có ECal và bộ chuyển đổi phù hợp: dùng ECal User Characterization, giữ nguyên bộ chuyển đổi trên mô-đun trong suốt đợt đo để hạn chế số lần tháo lắp.
- Hoán đổi bộ chuyển đổi chỉ nên giữ cho các quy trình cũ còn bắt buộc, và phải chấp nhận sai số bằng độ chênh giữa hai bộ chuyển đổi.
Lưu ý thực hành: bộ chuyển đổi, mô-men siết và dưỡng đo chân
Kit cơ khí 3,5 mm Keysight 85052D (DC–26,5 GHz) có ba bộ chuyển đổi 3,5 mm cái–cái, đực–cái và đực–đực. Hướng dẫn sử dụng của kit ghi rằng chúng chủ yếu dành cho việc đo linh kiện non-insertable, được thiết kế có chiều dài điện danh định như nhau, và cũng dùng làm đầu nối bảo vệ cổng. Các bộ chuyển đổi này không được đánh số sê-ri, nên không mang dữ liệu đặc trưng riêng. Kit kèm cờ lê lực 90 N·cm (8 in-lb) nhưng không kèm dưỡng đo độ sâu chân; dưỡng 3,5 mm được liệt kê ở mục vật tư không có trong kit và phải đặt riêng.
Về tương thích đầu nối: đầu 3,5 mm cắm được với SMA trong giới hạn đặc tính của SMA, nhưng tài liệu chăm sóc đầu nối của Keysight cảnh báo một đầu SMA kém chất lượng có thể làm hỏng nặng đầu 3,5 mm. Khi nối SMA đực vào 3,5 mm hoặc 2,92 mm, dùng cờ lê 56 N·cm. Đầu 2,4 mm muốn nối với SMA, 3,5 mm hay 2,92 mm thì phải qua bộ chuyển đổi chính xác. Chuẩn bị đúng bộ chuyển đổi và dưỡng đo chân trước buổi đo quan trọng không kém việc chọn thuật toán.
Khi đặc trưng hoá bộ chuyển đổi hay khi đo linh kiện có đồ gá, nguyên tắc chung vẫn là đưa mặt phẳng tham chiếu tới đúng chỗ cần đo; bài de-embedding đồ gá on-wafer và mặt phẳng tham chiếu trình bày trường hợp mặt phẳng nằm trên tấm wafer thay vì trên đầu nối đồng trục.
Chọn thiết bị Keysight cho hiệu chuẩn loại bỏ bộ chuyển đổi
Keysight N5245B PNA-X phủ 900 Hz / 10 MHz tới 50 GHz, và trợ giúp dòng N52xxB mô tả đầy đủ adapter removal, Unknown Thru lẫn ECal User Characterization. Đây là lựa chọn khi cần mọi phương án THRU trên một máy và dải tần lên tới băng đầu nối 2,4 mm.
Keysight E5080B ENA có hai dải 9 kHz–20 GHz hoặc 100 kHz–53 GHz. Tài liệu trợ giúp của E5080B dùng chung trang phương pháp THRU với PNA, cũng xếp Unknown Thru là phương án ưu tiên và mô tả adapter removal.
Keysight P5024A Streamline (9 kHz–20 GHz) dùng giao diện tương tự PNA, và bảng chỉ tiêu sau hiệu chuẩn trong datasheet được tính với kit 85052D. Chúng tôi chưa xác minh được trang trợ giúp riêng của dòng Streamline về danh sách phương pháp THRU, nên hãy kiểm tra trực tiếp trên phần mềm trước khi chốt quy trình adapter removal cho máy này.
Kết luận
Linh kiện non-insertable không cho phép đo THRU trực tiếp, và một bộ chuyển đổi bị bỏ quên có thể kéo độ định hướng hiệu dụng xuống khoảng 14 dB. Hiệu chuẩn loại bỏ bộ chuyển đổi giải bài toán bằng hai lần hiệu chuẩn đầy đủ, với điều kiện có đủ kit cho cả hai loại đầu nối và biết chiều dài điện của bộ chuyển đổi trong phạm vi một phần tư bước sóng. Trên các máy PNA và ENA hiện hành, Keysight ưu tiên Unknown Thru vì ít lần tháo lắp hơn; adapter removal vẫn hữu ích khi THRU không tương hỗ hoặc quy trình yêu cầu.
Cả hai phương pháp đều dựa trên dữ liệu định nghĩa của kit chuẩn và trạng thái của các đầu nối. Kit cũ, đầu nối mòn hay độ sâu chân lệch sẽ đi thẳng vào hệ số sai số. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn máy phân tích mạng và kit hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo và lịch hiệu chuẩn.
