Tham số S là ngôn ngữ chung của kỹ thuật vi sóng, nhưng nó chỉ đúng khi linh kiện làm việc tuyến tính. Đẩy một bộ khuếch đại công suất tới gần điểm nén, hoặc đo một bộ trộn tần đang được bơm bằng dao động nội mạnh, thì ma trận tham số S không còn mô tả đúng linh kiện nữa: hệ số phản xạ và hệ số truyền đạt bắt đầu thay đổi theo mức công suất, còn năng lượng thì rò sang các hài mà tham số S không hề nhắc tới. Tham số X ra đời để lấp đúng khoảng trống này.
Tham số X là gì và quan hệ với tham số S
Theo Keysight, X-parameters là phần mở rộng đúng đắn về mặt toán học của tham số S sang điều kiện tín hiệu lớn. Cách diễn đạt này quan trọng ở chữ “đúng đắn về mặt toán học”: tham số X không phải một phép xấp xỉ kinh nghiệm, mà là một khung mô tả tổng quát trong đó tham số S là trường hợp riêng khi biên độ kích thích tiến về không.
Tham số X còn được biết tới như bộ tham số của mô hình hành vi méo đa hài, thường viết tắt là PHD. Ý tưởng cốt lõi của mô hình này là chấp nhận rằng khi có một tín hiệu lớn chi phối linh kiện, mọi thành phần nhỏ khác sẽ được linh kiện xử lý một cách tuyến tính hoá quanh trạng thái làm việc do tín hiệu lớn đó thiết lập. Nhờ vậy, mô hình gồm ba nhóm số hạng: một nhóm mô tả đáp ứng của linh kiện với chính tín hiệu lớn, một nhóm mô tả phản ứng với các nhiễu loạn nhỏ, và một nhóm nữa mô tả phản ứng với liên hợp phức của các nhiễu loạn đó. Nhóm thứ ba là điều mà tham số S không có khái niệm tương ứng, và cũng chính là chỗ chứa thông tin về quan hệ pha giữa các hài.
Điểm khác biệt thực dụng nhất so với các cách đo phi tuyến truyền thống là tham số X mang đầy đủ cả biên độ lẫn pha của thành phần cơ bản và các hài. Đây là lý do bộ tham số này có thể ghép nối tầng trong mô phỏng và vẫn cho kết quả đúng khi mạch làm việc trong môi trường lệch phối hợp trở kháng.
Tham số X thống nhất những gì
Trước khi có khung mô tả này, kỹ sư RF phải ghép nhiều bộ dữ liệu rời rạc để hiểu một linh kiện phi tuyến. Tham số S cho bức tranh tín hiệu nhỏ. Dữ liệu load-pull cho biết linh kiện phản ứng ra sao khi trở kháng tải thay đổi. Phép đo hài cho biết mức năng lượng rò sang bội tần. Ba bộ dữ liệu này thường được đo trên ba cấu hình khác nhau, tại ba thời điểm khác nhau, và không có gì bảo đảm chúng nhất quán với nhau.
Keysight mô tả tham số X là khung thống nhất được cả ba: tham số tán xạ, dữ liệu load-pull dạng vô hướng lẫn dạng vector, và các hài do chính linh kiện sinh ra. Việc thống nhất này không chỉ gọn về mặt lưu trữ dữ liệu. Nó có nghĩa là một phép trích xuất duy nhất nắm được hành vi phi tuyến của linh kiện trên dải trở kháng phức tuỳ ý, dải công suất vào, dải tần số vào và các mức phân cực một chiều.
Ai từng làm đo load-pull cho khuếch đại công suất đều biết chi phí của việc quét thủ công mặt phẳng trở kháng. Tham số X không xoá bỏ nhu cầu hiểu load-pull, nhưng thay vì lưu một bảng tra rời rạc theo từng điểm trở kháng, kỹ sư có một mô hình nội suy được và ghép tầng được.
Đo tham số X trên PNA-X với ứng dụng NVNA
Về mặt thiết bị, phép đo được thực hiện bằng ứng dụng máy phân tích mạng vector phi tuyến, gọi tắt là NVNA, chạy trên nền máy phân tích mạng PNA-X. Đây là một ứng dụng phần mềm khai thác phần cứng và phần sụn sẵn có của máy, cung cấp phép đo phi tuyến có hiệu chỉnh cả vector lẫn biên độ và pha, trong dải từ 10 MHz tới 67 GHz.
Chuỗi xử lý của NVNA gồm bốn việc: đo hành vi phi tuyến của linh kiện, chuyển kết quả sang dạng sóng miền thời gian, sinh ra các hệ số mô hình, và đo quan hệ pha giữa các hài. Việc thứ tư là mấu chốt kỹ thuật. Một máy phân tích mạng thông thường chỉ cần biết pha tương đối giữa các cổng tại cùng một tần số. Muốn dựng lại dạng sóng miền thời gian thì phải biết pha tương đối giữa các tần số khác nhau, tức là giữa thành phần cơ bản và từng hài, và đây là phép hiệu chuẩn mà máy phân tích mạng tiêu chuẩn không thực hiện.
Hệ quả thực hành: cấu hình đo tham số X đòi hỏi nhiều bước hiệu chuẩn hơn phép đo tham số S thông thường. Ngoài hiệu chuẩn vector quen thuộc để dời mặt phẳng tham chiếu, còn cần hiệu chuẩn biên độ tuyệt đối để các sóng đo được mang đơn vị công suất thật, và cần một chuẩn tham chiếu pha để neo quan hệ pha giữa các hài. Bỏ qua bất kỳ bước nào trong đó thì dữ liệu vẫn hiện lên màn hình, nhưng dạng sóng miền thời gian dựng lại sẽ sai.
Lưu ý thực hành khi triển khai
Thứ nhất, xác định trước dải hài cần giữ. Số hài đưa vào mô hình quyết định thời gian đo và kích thước dữ liệu. Giữ quá ít hài thì dạng sóng dựng lại bị làm trơn quá mức; giữ quá nhiều thì phần lớn công sức dành cho các thành phần nằm dưới sàn nhiễu.
Thứ hai, kiểm tra dải động ở tần số hài. Mức hài bậc cao có thể thấp hơn thành phần cơ bản hàng chục decibel. Nếu sàn nhiễu của máy tại tần số hài không đủ thấp, pha của hài đó sẽ không ổn định và toàn bộ ý nghĩa của phép đo pha giữa các hài mất đi.
Thứ ba, giữ điều kiện phân cực ổn định trong suốt phép quét. Tham số X mô tả linh kiện tại một trạng thái làm việc; nếu nguồn phân cực trôi theo nhiệt trong lúc quét công suất, mô hình trích ra sẽ trộn lẫn hai hiện tượng khác nhau.
Thứ tư, đừng ngoại suy ra ngoài vùng đã đo. Đây là mô hình hành vi, không phải mô hình vật lý. Trong vùng công suất và trở kháng đã lấy dữ liệu, mô hình rất chính xác. Ngoài vùng đó, nó không có cơ sở nào để đúng.
Chọn cấu hình PNA-X phù hợp
Ba mức cấu hình thường gặp tương ứng với ba dải tần.
Máy phân tích mạng PNA-X Keysight N5242B làm việc từ 900 Hz tới 26,5 GHz, đủ cho phần lớn bài toán khuếch đại công suất di động và các băng dưới 26 GHz. Máy có bản 2 cổng và 4 cổng, tối đa ba nguồn tín hiệu bên trong và một máy thu tạp âm thấp tích hợp.
Máy phân tích mạng PNA-X Keysight N5245B mở rộng dải lên 10 MHz đến 50 GHz. Đây là cấu hình hợp lý khi cần giữ được hài bậc hai và bậc ba của linh kiện làm việc quanh 15 GHz trong cùng một phép đo.
Máy phân tích mạng PNA-X Keysight N5247B đạt tới 67 GHz, phủ trọn dải mà ứng dụng NVNA hỗ trợ. Với linh kiện mmWave, dải tần này là điều kiện cần để hài không rơi ra ngoài khả năng đo của máy.
Ở cả ba cấu hình, dữ liệu tham số X sau khi trích xuất được đưa thẳng vào công cụ thiết kế và mô phỏng ADS, nơi mô hình có thể ghép tầng cùng phần còn lại của mạch để giảm số vòng lặp thiết kế.
Kết luận
Tham số X không thay thế tham số S mà bao trùm lấy nó. Khi biên độ kích thích nhỏ, hai khung mô tả trùng nhau; khi linh kiện bị đẩy vào vùng phi tuyến, chỉ tham số X còn giữ đủ thông tin để dựng lại dạng sóng thật và ghép tầng trong mô phỏng. Cái giá phải trả là một quy trình hiệu chuẩn nghiêm ngặt hơn, đặc biệt ở phần neo pha giữa các hài.
Toàn bộ giá trị của phép đo này nằm ở độ chính xác biên độ và pha của máy. Một máy phân tích mạng trôi khỏi thông số kỹ thuật sẽ sinh ra mô hình sai mà không phát ra cảnh báo nào. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam, cung cấp máy phân tích mạng PNA-X cùng dịch vụ hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo phi tuyến hoặc lên lịch hiệu chuẩn.
