Gần như mọi đường tín hiệu tốc độ cao ngày nay đều là cặp vi sai: USB, PCIe, DDR, Ethernet, giao diện màn hình, đường LO trong module RF. Nhưng máy phân tích mạng vector lại đo theo từng cổng đơn (single-ended), và bốn cổng đo một cặp vi sai sẽ trả về ma trận 4×4 với 16 tham số S đơn cực — một tập số liệu đúng nhưng gần như không đọc được. Tham số S hỗn hợp chính là cách sắp xếp lại đúng 16 con số đó theo ngôn ngữ mà mạch vi sai thực sự làm việc: tín hiệu vi sai và tín hiệu chế độ chung.
Điểm mấu chốt cần hiểu ngay từ đầu: phép biến đổi sang mixed-mode S-parameter không tạo ra thông tin mới. Nó là một phép biến đổi tuyến tính trên dữ liệu đã đo, thực hiện trong phần mềm. Vì vậy chất lượng của kết quả hỗn hợp không bao giờ tốt hơn chất lượng của phép hiệu chuẩn 4 cổng nằm phía dưới nó — điều mà bài Tham số S (S-parameters) là gì? Hiểu đúng và hiệu chuẩn VNA đã phân tích ở mức cơ bản.
Tham số S hỗn hợp là gì: đọc theo bốn góc phần tư
Quy ước ký hiệu là SXYab, trong đó X là kiểu đáp ứng ở đầu ra, Y là kiểu kích thích ở đầu vào, a là cổng ra và b là cổng vào; X và Y nhận giá trị d (differential — vi sai) hoặc c (common — chế độ chung). Với một linh kiện có hai cặp vi sai, ma trận 4×4 chia thành bốn khối 2×2:
- Góc vi sai thuần (Sdd). Sdd11, Sdd12, Sdd21, Sdd22 — đây là bộ số mà thiết kế số quan tâm. Sdd21 là suy hao chèn vi sai từ cổng 1 sang cổng 2; Sdd11 là hệ số phản xạ vi sai ở đầu vào.
- Góc chế độ chung thuần (Scc). Scc11, Scc12, Scc21, Scc22 — mô tả linh kiện hành xử ra sao với tín hiệu đồng pha trên cả hai dây. Đây là bộ số mà bài toán EMC quan tâm, vì chế độ chung mới là thứ bức xạ ra ngoài.
- Hai góc chuyển đổi mode (Scd và Sdc). Scd21 cho biết bao nhiêu phần tín hiệu vi sai bị biến thành chế độ chung khi đi qua linh kiện; Sdc21 là chiều ngược lại.
Ở một cấu trúc hoàn toàn đối xứng, hai góc chuyển đổi mode về lý thuyết bằng không, và trên thực tế chúng luôn là các số rất nhỏ. Chính vì nhỏ mà chúng khó đo, và cũng chính vì thế mà chúng là chỉ dấu nhạy nhất của lỗi thiết kế.
Vì sao Scd21 mới là con số đáng lo
Sdd21 xấu đi thì mắt tín hiệu khép lại — hậu quả nhìn thấy ngay. Scd21 xấu đi thì mạch vẫn chạy tốt trong phòng thí nghiệm, nhưng phần năng lượng chuyển sang chế độ chung sẽ chạy dọc theo vỏ, dọc theo cáp và biến cả cụm thành một ăng-ten. Sản phẩm rớt đo phát xạ bức xạ ở giai đoạn cuối thường có nguyên nhân nằm ở đây.
Nguồn gốc của chuyển đổi mode luôn là bất đối xứng: hai nhánh lệch chiều dài, một nhánh đi qua via còn nhánh kia thì không, hoặc hai đầu nối không giống nhau. Đo Scd21 theo tần số cho biết bất đối xứng nằm ở đâu về mặt điện, vì cực đại của nó xuất hiện tại những tần số mà độ lệch chiều dài tương đương một phần đáng kể của bước sóng.
Trở kháng vi sai đọc thế nào từ tham số S hỗn hợp
Trở kháng vi sai của một cặp đối xứng bằng hai lần trở kháng mode lẻ của một dây riêng lẻ. Đây là lý do các đường 50 Ω đơn cực ghép thành cặp cho ra giá trị quanh 100 Ω, và cũng là lý do không thể suy ra trở kháng vi sai bằng cách nhân đôi kết quả đo một dây khi hai dây có ghép nối — ghép nối làm trở kháng mode lẻ khác với trở kháng của dây khi nó đứng một mình.
Trên VNA, trở kháng vi sai thường được đọc gián tiếp qua Sdd11 chuyển sang miền thời gian, cho phép nhìn thấy mặt cắt trở kháng dọc theo đường truyền: đầu nối, via, đoạn dẫn, đầu nối tiếp theo. Hai lưu ý. Thứ nhất, độ phân giải theo khoảng cách bị chi phối bởi băng thông tần số đã đo — muốn tách hai điểm gián đoạn gần nhau thì phải quét rộng hơn. Thứ hai, trở kháng tham chiếu của phép biến đổi hỗn hợp phải đặt đúng theo thiết kế thực tế; để mặc định trong khi mạch dùng giá trị khác thì mọi con số phản xạ đều sai lệch có hệ thống, dù đường cong nhìn vẫn rất thuyết phục.
Balun hay VNA 4 cổng: chọn cách đo nào
Cách cổ điển là dùng balun tạo ra tín hiệu vi sai thật rồi đo như mạch hai cổng. Trực quan và cần ít cổng, nhưng có ba nhược điểm khó khắc phục: balun có dải tần hữu hạn, sai lệch biên độ và pha của chính nó đi thẳng vào kết quả, và quan trọng nhất — nó chỉ kích thích được mode vi sai nên không đo được góc Scc lẫn hai góc chuyển đổi mode.
Cách hiện đại là đo đủ 16 tham số đơn cực trên VNA 4 cổng rồi để phần mềm biến đổi. Ưu điểm: một lần quét cho cả bốn góc phần tư, không có linh kiện thụ động nào chen giữa mặt phẳng tham chiếu và DUT, và có thể đổi trở kháng tham chiếu sau khi đo mà không phải đo lại. Nhược điểm duy nhất là cần một máy 4 cổng thật và một phép hiệu chuẩn 4 cổng đầy đủ. Trong thực tế R&D và sản xuất hiện nay, phương án 4 cổng gần như luôn thắng.
Quy trình đo và những bẫy thường gặp
- Xác định dải tần thật sự cần đo. Với đường số, quy tắc thực dụng là quét tới ít nhất hài bậc ba của tần số nhịp cơ bản.
- Hiệu chuẩn đầy đủ 4 cổng tại mặt phẳng gần DUT nhất có thể — bước quyết định chất lượng của toàn bộ kết quả hỗn hợp.
- Gán đúng cặp cổng. Đảo nhầm sẽ cho ra một ma trận trông vẫn hợp lý nhưng vô nghĩa.
- Đặt trở kháng tham chiếu vi sai và chế độ chung theo thiết kế thực tế.
- Đo và lưu file S4P đơn cực gốc, vì mọi biểu diễn hỗn hợp đều dựng lại được từ nó.
- Kiểm tra tính nhất quán: với linh kiện thụ động thuận nghịch, Sdd21 và Sdd12 phải trùng nhau trong phạm vi sai số đo.
Ba bẫy hay gặp nhất: mức công suất quá cao khiến tầng khuếch đại trong đường đo bị nén và làm sai góc chuyển đổi mode; cáp đo xê dịch giữa lúc hiệu chuẩn và lúc đo, đủ để chôn vùi một Scd21 cỡ −40 dB; và đọc kết quả ở dải tần vượt quá giới hạn hợp lệ của bộ hiệu chuẩn đang dùng.
Chọn máy: trần tần số, số cổng hay số nguồn
Với phép đo hỗn hợp, số cổng là điều kiện cần — phải đủ bốn cổng thật. Sau đó mới đến trần tần số và số nguồn nội bộ.
Keysight N5227B phủ dải 900 Hz đến 67 GHz, có cấu hình 2 cổng một nguồn và cấu hình 4 cổng hai nguồn. Công suất nguồn từ +13 dBm tại 1 GHz xuống +11 dBm tại 67 GHz, dải động 124 dB tại 67 GHz và tốc độ đo 3,6 đến 23 µs mỗi điểm. Đây là lựa chọn khi cặp vi sai nằm trong module mmWave, hoặc khi cùng một khung máy còn phải đo cả linh kiện tích cực.
Nếu bài toán nằm dưới 32 GHz — tức là phủ trọn hầu hết đường số trên bo mạch và các chuẩn SerDes phổ biến — thì Keysight P5026A đưa đủ 4 cổng vào một máy USB không mặt trước, dải 100 kHz đến 32 GHz, công suất ra tối đa 10 dBm, hỗ trợ nguồn thứ hai qua tuỳ chọn 402 và dùng chung giao diện với dòng PNA. Với đa số phòng thí nghiệm tín hiệu số, đây là cách gọn nhất để có bốn cổng thật thay vì xoay xở với balun.
Điểm cân nhắc khi so hai máy khá rõ ràng: N5227B mua bằng trần tần số và khả năng đo linh kiện tích cực; P5026A mua bằng mật độ cổng trên mỗi đồng chi phí. Cả hai đều hỗ trợ hiệu chuẩn điện tử ECal, và với phép đo 4 cổng thì ECal gần như bắt buộc — hiệu chuẩn 4 cổng thủ công có quá nhiều bước để làm lặp lại được mỗi ngày.
Kết luận
Tham số S hỗn hợp không phải một phép đo riêng, mà là cách đọc dữ liệu 4 cổng theo đúng vật lý của mạch vi sai. Bốn góc phần tư trả lời bốn câu hỏi khác nhau: Sdd cho chất lượng đường truyền, Scc cho hành vi chế độ chung, còn Scd và Sdc chỉ thẳng vào chỗ thiết kế bị bất đối xứng. Muốn các con số này đáng tin thì thứ phải đầu tư là phép hiệu chuẩn 4 cổng và sự ổn định cơ khí của cáp đo, chứ không phải thêm một lớp hậu xử lý.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Để được tư vấn cấu hình VNA 4 cổng, chọn bộ ECal phù hợp hoặc lên lịch hiệu chuẩn định kỳ cho máy đang dùng, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
