Hiệu chuẩn PicoVNA: E-Cal, SOLT, TRL và TRM — chọn phương pháp nào cho DUT của bạn

Một máy phân tích mạng vector chưa hiệu chuẩn không phải là máy đo kém — nó chưa phải là máy đo. Toàn bộ giá trị của phép đo S-parameter nằm ở chỗ bạn nói được cho máy biết đâu là sai số của hệ thống và đâu là đặc tính thật của thiết bị cần đo. Bài viết này giải thích các phương pháp hiệu chuẩn mà PicoVNA 106 và PicoVNA 108 hỗ trợ, và cách chọn phương pháp theo hình dạng thực tế của DUT.

Hiệu chuẩn thay đổi con số bao nhiêu?

Chênh lệch khoảng 30 dB ở match cổng là toàn bộ khác biệt giữa một phép đo tham khảo và một phép đo dùng được để ra quyết định kỹ thuật. Với directivity 47 dB, máy phân biệt được sóng phản xạ thật khỏi tín hiệu rò nội bộ tới mức đo tin cậy được return loss khoảng 40 dB — nghĩa là chỉ 0,01% công suất bị dội ngược.

Bốn phương pháp và bài toán chúng giải

SOLT — chuẩn mực cho DUT tháo rời được

SOLT là viết tắt của Short, Open, Load, Through: lần lượt nối bốn chuẩn đã biết đặc tính vào cổng máy để phần mềm dựng mô hình sai số. Đây là phương pháp mặc định khi DUT có đầu nối và tháo ra cắm vào được — anten, cáp, bộ lọc rời, module có connector.

Bộ SOLT thủ công của Pico có bản đực và bản cái, với hai cấp đầu nối: chuẩn SMA và cao cấp 3,5 mm. Phần mềm PicoVNA 5 dẫn từng bước qua toàn bộ quy trình để giảm sai sót thao tác.

E-Cal — hiệu chuẩn tự động

Bộ E-Cal chứa các chuẩn bên trong và tự chuyển mạch qua chúng theo lệnh của phần mềm. Ưu điểm là ba mặt: nhanh hơn, ít thao tác tháo lắp nên ít mòn đầu nối, và loại bỏ được nhóm sai số do người dùng siết chưa đủ lực hoặc nối nhầm thứ tự. Với phòng lab hiệu chuẩn nhiều lần trong ngày hoặc có nhiều người dùng chung máy, đây là lựa chọn hợp lý.

TRL và TRM — dành cho DUT đã gắn trên đế

Khi linh kiện đã hàn lên PCB, không có cách nào cắm nó vào bộ SOLT. TRL (Through, Reflect, Line) và TRM (Through, Reflect, Match) giải bài toán này bằng cách dùng chính các cấu trúc chuẩn in trên board làm chuẩn hiệu chuẩn. Mặt phẳng tham chiếu được dời tới sát chân linh kiện, nên đường mạch dẫn không còn nằm trong kết quả.

Unknown-through — khi hai cổng không cùng loại

Với DUT non-insertable — ví dụ một bộ chuyển đổi có đầu vào SMA và đầu ra Type N — không tồn tại một chuẩn through hoàn hảo nối trực tiếp hai cổng. Hiệu chuẩn 8 số hạng unknown-through cho phép dùng một phần tử through bất kỳ có tính đối xứng mà không cần biết trước đặc tính của nó.

Chọn phương pháp theo hình dạng DUT

Vì sao cal kit của Pico được đặc trưng hoá bằng TRL

Một điểm ít được để ý nhưng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng phép đo: mọi bộ cal kit và chuẩn kiểm tra của Pico, dù là bản tự động hay thủ công, đều được đặc trưng hoá riêng từng bộ bằng phương pháp TRL — vốn chính xác hơn — rồi giao kèm dữ liệu S-parameter của chính bộ đó.

Ý nghĩa thực tế: thay vì để phần mềm giả định chuẩn của bạn là lý tưởng, bạn nạp đặc tính đo được thật của bộ chuẩn đang cầm trên tay vào máy. Chất lượng hiệu chuẩn chuyển từ chuẩn sản xuất sang chuẩn đo lường, mà không phải trả chi phí chế tạo của một bộ chuẩn có dung sai cơ khí siêu chặt.

Bảy nguyên nhân làm hỏng một phép hiệu chuẩn

1. Uốn cáp sau khi hiệu chuẩn. Cáp đo thay đổi pha khi bị uốn. Hiệu chuẩn xong rồi mới kéo cáp sang vị trí khác là tự huỷ phép hiệu chuẩn — đặc biệt rõ ở dải trên 4 GHz.
2. Siết đầu nối không đúng lực. Đây là lý do máy được giao kèm hai cờ lê RF trong hộp. Siết bằng tay cho lực khác nhau giữa các lần, siết bằng kìm làm hỏng ren.
3. Đổi adaptor sau khi hiệu chuẩn. Adaptor nằm sau mặt phẳng tham chiếu thì nó thuộc về DUT, không thuộc về hệ thống. Thêm hoặc bớt adaptor là đổi định nghĩa mặt phẳng tham chiếu.
4. Nhiệt độ trôi. Ổn định nhiệt là 0,02 dB/°C dưới 4 GHz và 0,04 dB/°C từ 4 GHz. Hiệu chuẩn lúc phòng 24 °C rồi đo lúc 30 °C tạo sai số hệ thống ở dải cao.
5. Đổi băng thông đo hoặc số điểm sau khi hiệu chuẩn. Bộ hệ số hiệu chuẩn gắn với lưới tần số đã quét. Đổi cấu hình thì phải hiệu chuẩn lại.
6. Đầu nối bẩn hoặc hỏng ren. Một hạt bụi kim loại trong đầu nối 3,5 mm đủ làm sai lệch phép đo và có thể làm hỏng chuẩn đắt tiền ở lần cắm sau.
7. Không khai báo hằng số điện môi khi đo miền thời gian. Kết quả TDR sẽ hiển thị đúng hình dạng nhưng sai khoảng cách. Máy có sẵn chức năng hiệu chỉnh hằng số điện môi hiệu dụng.

Bao lâu phải hiệu chuẩn lại?

Cần phân biệt hai loại “hiệu chuẩn” thường bị gọi lẫn:

Hiệu chuẩn phép đo (user calibration)

Là bước bạn tự làm trước mỗi phiên đo, bằng cal kit. Nó bù sai số của chính hệ thống cáp và adaptor đang dùng. Cần làm lại khi: đổi cáp hoặc adaptor, đổi dải tần hoặc số điểm quét, nhiệt độ phòng thay đổi đáng kể, hoặc khi bắt đầu một phiên đo mới sau thời gian dài máy nghỉ.

Hiệu chuẩn thiết bị (hiệu chuẩn định kỳ)

Là việc gửi máy tới phòng hiệu chuẩn để đối chiếu với chuẩn liên kết quốc gia và cấp giấy chứng nhận. Đây là yêu cầu của hệ thống quản lý chất lượng, phục vụ đánh giá ISO và truy xuất nguồn gốc đo lường, thường theo chu kỳ do chính hệ thống quản lý chất lượng của đơn vị quy định. Techmaster cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn thiết bị đo theo ISO/IEC 17025 cho nhóm nhu cầu này.

Kiểm tra sau hiệu chuẩn

Một thói quen tốt là dành thêm hai phút xác nhận phép hiệu chuẩn trước khi tin vào số liệu:

• Đo lại chính chuẩn through. S21 phải phẳng quanh 0 dB và pha tuyến tính theo tần số. Gợn lớn nghĩa là hiệu chuẩn có vấn đề.
• Đo chuẩn load. S11 phải nằm rất sâu, ở vùng dưới –40 dB trên phần lớn dải. Nếu nông hơn nhiều, kiểm tra lại đầu nối.
• Đo một chuẩn kiểm tra độc lập nếu có — ví dụ một bộ suy hao đã biết giá trị. Đây là cách phát hiện sai sót mà chính bộ cal kit không thể tự phát hiện.
• Lưu lại trạng thái hiệu chuẩn để so sánh giữa các phiên và truy vết khi kết quả bất thường.

Cả PicoVNA 106 và PicoVNA 108 dùng chung hệ phụ kiện hiệu chuẩn, nên khi nâng cấp model, bộ cal kit và quy trình đã xây dựng vẫn dùng tiếp được.

Câu hỏi thường gặp

PicoVNA hỗ trợ những phương pháp hiệu chuẩn nào?

Máy hỗ trợ hiệu chuẩn 12 số hạng cho DUT insertable và non-insertable, hiệu chuẩn 8 số hạng unknown-through, hiệu chuẩn một cổng S11, cùng các phương pháp TRL và TRM dùng khi DUT đã gắn trên đế. Ngoài ra có chức năng de-embed tối đa hai mạng nhúng và chuyển đổi trở kháng.

Nên chọn bộ E-Cal hay bộ SOLT thủ công?

E-Cal phù hợp khi phải hiệu chuẩn nhiều lần trong ngày hoặc nhiều người dùng chung máy, vì nó rút ngắn thời gian và loại bỏ sai số thao tác. Bộ SOLT thủ công có chi phí thấp hơn và phù hợp khi số lần hiệu chuẩn ít. Cả hai loại đều được Pico đặc trưng hoá riêng từng bộ bằng TRL và giao kèm dữ liệu S-parameter.

Hiệu chuẩn xong có dùng được cho phiên đo hôm sau không?

Không nên. Phép hiệu chuẩn gắn với nhiệt độ, với bộ cáp và adaptor đang lắp, và với cấu hình quét đã đặt. Với ổn định nhiệt 0,02 dB/°C dưới 4 GHz và 0,04 dB/°C từ 4 GHz trở lên, chênh lệch nhiệt độ giữa hai ngày đã đủ tạo sai số nhìn thấy được ở phép đo suy hao nhỏ.

Match cổng của PicoVNA sau hiệu chuẩn là bao nhiêu?

Sau hiệu chuẩn, match nguồn và match tải đạt 46 dB điển hình với mức tối thiểu 40 dB, còn directivity đạt 47 dB điển hình với mức tối thiểu 40 dB. Trước hiệu chuẩn, match cổng chỉ khoảng 16 dB điển hình với PicoVNA 106 và 15 dB với PicoVNA 108.

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