Một máy phân tích mạng vector quét tần số và trả về tham số S theo tần số. Nhưng khi đường S11 gợn sóng bất thường, câu hỏi của kỹ sư lại thuộc miền thời gian: chỗ mất phối hợp nằm ở đâu — ở đầu nối, ở via, hay ở cuối cáp? Phân tích miền thời gian trên VNA trả lời đúng câu hỏi đó bằng cách biến đổi ngược dữ liệu tần số thành đáp ứng theo thời gian, cho ra một ảnh giống hệt kết quả của máy TDR chuyên dụng. Bài viết đi qua nguyên lý, hai chế độ biến đổi, hai công thức phải nhớ, và giới hạn của phép gating.
Phân tích miền thời gian trên VNA dựa trên nguyên lý nào
Cơ sở là phép biến đổi Fourier ngược. Dữ liệu quét tần số rời rạc của một phép đo phản xạ chứa đủ thông tin để dựng lại đáp ứng của thiết bị theo thời gian; mỗi điểm mất phối hợp dọc đường truyền tạo ra một phản xạ về tới cổng đo với một độ trễ riêng, và độ trễ đó chính là tọa độ của nó trên trục thời gian. Nhân thêm vận tốc lan truyền là ra tọa độ theo mét.
Khác biệt so với TDR miền thời gian thật nằm ở nguồn kích thích. Máy TDR phát một bậc nhảy rồi quan sát phản xạ; VNA quét sóng sin ở nhiều tần số rồi tổng hợp lại. Kết quả tương đương về mặt thông tin, nhưng cách VNA có một ưu thế lớn: toàn bộ bộ hiệu chuẩn vector của máy — vốn khử được định hướng, mất phối hợp nguồn và đáp ứng theo tần số — vẫn áp dụng được. Đổi lại, phép biến đổi kèm theo một loạt ràng buộc về cách quét mà nếu bỏ qua thì ảnh thu được sẽ sai lệch.
Trên dòng PNA, PNA-L và PNA-X đời B, chức năng này nằm ở giấy phép S93010B (tương đương Option 010 trên các máy đời A); trên dòng Streamline USB, tùy chọn tương ứng là S95010B.
Chế độ lowpass và bandpass: chọn theo thứ mình cần biết
Máy cung cấp hai chế độ biến đổi, và chọn sai chế độ là lỗi phổ biến nhất khi mới dùng.
Bandpass chạy được với bất kỳ dải quét nào — kể cả dải hẹp quanh một tần số cao, như bộ lọc thông dải. Đây là ưu điểm duy nhất của nó, và cái giá phải trả gồm hai phần. Thứ nhất, chế độ này không phân biệt được điểm bất liên tục có tính dung kháng hay cảm kháng: nó cho biết có phản xạ và phản xạ ở đâu, nhưng không cho biết bản chất. Thứ hai, với cùng dải quét và cùng số điểm, bề rộng xung của bandpass gấp đôi lowpass, tức độ phân giải kém đi một nửa và các điểm gần nhau dễ che lấp nhau.
Lowpass cho độ phân giải tốt hơn và phân biệt được tính chất của điểm bất liên tục, nhưng đòi hỏi khắt khe: các tần số quét phải là bội hài của tần số đầu. Khi bật chế độ này, máy tự tính lại tần số đầu theo quan hệ tần số đầu = tần số cuối / số điểm, vì phép biến đổi cần ngoại suy dữ liệu xuống DC và sang miền tần số âm. Hai hệ quả thực tế: thiết bị đo phải cho tín hiệu đi qua ở tần số thấp (cáp, đầu nối, đường truyền — không phải bộ lọc thông dải), và phải hiệu chuẩn sau khi đã đặt xong dải quét, vì việc dời tần số đầu làm hỏng hiệu chuẩn cũ.
Trong lowpass còn hai kiểu hiển thị. Lowpass impulse cho độ phân giải cao nhất, dùng khi cần tách các phản xạ sát nhau. Lowpass step hiển thị dưới dạng đáp ứng bậc nhảy, và đây là kiểu dễ nhận dạng bất liên tục cảm kháng hay dung kháng nhất — một gờ nhô lên là cảm kháng, một hõm là dung kháng.
Độ phân giải TDR và khoảng không nhiễu chồng phổ
Hai công thức chi phối toàn bộ chất lượng phép đo. Độ phân giải TDR — khả năng tách hai phản xạ gần nhau — do dải tần quét quyết định. Với chế độ bandpass impulse và cửa sổ normal, độ phân giải theo thời gian là:
Độ phân giải thời gian = 1,95 / dải tần quét
Quy sang khoảng cách: nhân với vận tốc ánh sáng c = 2,997925 × 108 m/s và hệ số vận tốc Vf của môi trường. Với phép đo phản xạ phải chia thêm cho 2, vì sóng đi và về hai lần quãng đường. Kết luận thực hành: muốn tách hai đầu nối cách nhau vài milimét thì phải quét thật rộng, không có cách nào khác.
Công thức thứ hai là khoảng không nhiễu chồng phổ (alias-free range) — quãng đường tối đa quan sát được trước khi ảnh lặp lại:
Khoảng (m) = (1 / Δf) × Vf × c, với Δf = dải tần quét / (số điểm − 1)
Cũng chia 2 cho phép đo phản xạ. Đại lượng chi phối ở đây là bước tần số, không phải dải quét. Nếu ảnh miền thời gian xuất hiện một phản xạ lặp lại đều đặn ở khoảng cách vô lý, nghi ngờ đầu tiên nên là số điểm quá thưa chứ không phải thiết bị hỏng. Hai công thức kéo về hai hướng ngược nhau: dải rộng cho phân giải tốt, bước tần nhỏ cho tầm quan sát xa — và cả hai cùng đòi hỏi tăng số điểm, tức tăng thời gian quét.
Cửa sổ và gating miền thời gian: đổi độ phân giải lấy búp phụ
Vì dải quét hữu hạn, phép biến đổi sinh ra búp phụ (sidelobe) quanh mỗi phản xạ — một phản xạ lớn có thể tạo ra các búp giả che mất một phản xạ nhỏ ở gần. Cửa sổ hóa làm mượt hai biên của dải dữ liệu để hạ búp phụ, đổi lại làm rộng xung chính. Bảng đặc tính cửa sổ trên VNA của Keysight:
| Cửa sổ | Gợn dải thông | Mức búp phụ | Thời gian cắt | Bề rộng gate tối thiểu |
|---|---|---|---|---|
| Minimum | ±0,1 dB | −48 dB | 1,4 / dải quét | 2,8 / dải quét |
| Normal | ±0,1 dB | −68 dB | 2,8 / dải quét | 5,6 / dải quét |
| Wide | ±0,1 dB | −57 dB | 4,4 / dải quét | 8,8 / dải quét |
| Maximum | ±0,01 dB | −70 dB | 12,7 / dải quét | 25,4 / dải quét |
Đọc bảng theo chiều dọc thấy ngay sự đánh đổi: từ Minimum xuống Maximum, búp phụ hạ từ −48 dB xuống −70 dB nhưng thời gian cắt giãn gần chín lần. Chọn cửa sổ vì thế là chọn xem mình sợ búp phụ che mất phản xạ nhỏ hơn, hay sợ mất khả năng tách hai phản xạ sát nhau hơn.
Gating miền thời gian đi thêm một bước: chọn lấy một khoảng thời gian, loại bỏ phần còn lại, rồi biến đổi ngược về miền tần số. Kết quả là đáp ứng tần số của riêng phần được giữ lại — cách thông dụng để xem đặc tính một linh kiện mà bỏ qua đầu nối đồ gá hai đầu. Cột “bề rộng gate tối thiểu” trong bảng là giới hạn cứng: đặt gate hẹp hơn giá trị đó thì kết quả không còn ý nghĩa, vì bản thân bộ lọc gate không dựng nổi sườn trong khoảng thời gian ngắn như vậy.
Hai giới hạn cần nhớ trước khi tin vào kết quả gating. Một, gating không phải de-embedding: nó cắt bỏ phản xạ nằm ngoài cửa sổ nhưng không hoàn nguyên được suy hao và dịch pha mà phần bị cắt đã gây ra cho tín hiệu đi qua. Hai, các phản xạ nhiều lần giữa hai điểm bất liên tục có thể rơi vào trong gate và không loại bỏ được.
Chọn VNA Keysight cho phân tích miền thời gian
Vì độ phân giải bị dải tần quét chi phối, tiêu chí chọn máy đầu tiên là tần số cực đại chứ không phải số cổng.
- Keysight N5227B — PNA phủ 900 Hz đến 67 GHz, có bản 2 cổng một nguồn và bản 4 cổng hai nguồn, tốc độ đo 3,6 đến 23 µs mỗi điểm. Dải quét rộng của máy này là lý do nó được chọn cho các bài toán cần tách các điểm bất liên tục sát nhau trên gói linh kiện và đế nối tốc độ cao.
- Keysight N5231B — PNA-L 300 kHz đến 13,5 GHz, 2 hoặc 4 cổng với một nguồn tích hợp. Phù hợp cho đo cáp, đầu nối và bo mạch ở dải vi ba phổ thông, nơi 13,5 GHz đã đủ cho độ phân giải cần thiết.
- Keysight P5004A — Streamline USB 9 kHz đến 20 GHz, 2 cổng, công suất ra tối đa 10 dBm. Dạng máy không màn hình, gắn USB, hợp cho đo tại hiện trường hoặc tích hợp vào hệ thống; dùng tùy chọn miền thời gian S95010B.
Với mọi lựa chọn, hãy tính trước hai công thức ở phần trên cho bài toán cụ thể: nếu độ phân giải yêu cầu không đạt được ở tần số cực đại của máy, không có thiết lập nào cứu được.
Kết luận
Biến đổi miền thời gian không tạo ra thông tin mới; nó trình bày lại thông tin sẵn có theo trục mà mắt người đọc được. Ba quyết định định đoạt chất lượng kết quả: chọn lowpass hay bandpass theo việc có cần biết tính chất của điểm bất liên tục hay không, đặt dải quét và số điểm theo hai công thức phân giải và tầm quan sát, và chọn cửa sổ theo thứ mình sợ mất hơn. Riêng với gating, luôn nhớ rằng nó là phép cắt trong miền thời gian chứ không phải phép hoàn nguyên đồ gá.
Techmaster Electronics là đại lý ủy quyền của Keysight tại Việt Nam, vận hành phòng hiệu chuẩn đạt ISO/IEC 17025 cho máy phân tích mạng và bộ chuẩn hiệu chuẩn. Để được tư vấn cấu hình đo hoặc đặt lịch hiệu chuẩn định kỳ, liên hệ hotline 0908 173 345.
