Kiến thức tổng quan về S-Parameters

Hiện nay, để đảm bảo các thiết bị hoạt động đúng thiết kế, chúng ta cần đặc biệt quan tâm đến việc đánh giá khả năng phản xạ và truyền dẫn tín hiệu. Trong lĩnh vực điện tử cao tần, máy phân tích mạng vector (Vector Network Analyzer - VNA) thường được sử dụng để kiểm tra các linh kiện như anten, bộ lọc RF, bộ khuếch đại hay cáp đồng trục. Để làm được điều này, VNA sử dụng các tham số tán xạ (Scattering Parameters – S-Parameters) để mô tả cách tín hiệu phản xạ và truyền qua một thiết bị. Cụ thể hơn, S11 và S21 có các chức năng khác nhau, trong khi S11 thể hiện mức phản xạ tại cổng đầu vào thì S21 mô tả khả năng truyền tín hiệu từ cổng đầu vào sang cổng đầu ra. Chính vì vậy, các kỹ sư cần hiểu rõ hai thông số này để đánh giá được khả năng phối hợp trở kháng, mức suy hao cũng như đặc tính hoạt động của linh kiện theo tần số.

Nguyên lý hoạt động của S-Parameters

Theo nguyên lý hoạt động, mối quan hệ giữa sóng tới và sóng đi ra tại các cổng của thiết bị sẽ được mô tả thông qua S-Parameters. Cụ thể, sau khi tín hiệu RF được đưa vào thì một phần năng lượng có thể bị phản xạ, phần còn lại sẽ được truyền qua thiết bị và tiêu tán do quá trình tổn hao. Tuy nhiên, đối với thiết bị hai cổng, trong khi S11 biểu thị phản xạ tại cổng số 1, S21 thể hiện truyền dẫn từ cổng 1 đến cổng 2, thì S22 mô tả phản xạ tại cổng số 2. Không chỉ vậy, các thông tin về biên độ và pha được chứa trong S-Parameters. Chính vì vậy, mức độ phản xạ và truyền dẫn thường được đánh giá thông qua đồ thị biên độ theo tần số, trong khi đặc tính trễ và hành vi của mạch RF lại được phân tích qua các thông tin về pha

Định nghĩa về S11 và quá trình phản xạ tín hiệu

Theo định nghĩa, S11 là thông số dùng để đánh giá mức độ tín hiệu bị phản xạ tại cổng vào. Trong đó, một phần năng lượng sẽ phản xạ trở lại nguồn khi trở kháng của thiết bị không tương thích với trở kháng của đường truyền. Quá trình này được định nghĩa là không phối hợp trở kháng và có thể tác động tiêu cực đến quá trình năng lượng. S11 thường được biểu diễn theo đơn vị dB trên VNA và mức phản xạ càng thấp khi giá trị càng âm. Ví dụ, S11 có giá trị bằng -10 dB sẽ cho mức phản xạ cao hơn so với S11 có giá trị là -20 dB. Không chỉ vậy, thông số suy hao phản hồi (Return Loss) có quy ước dấu ngược với S11, tính theo đơn vị dB, cũng được sử dụng để đánh giá quá trình truyền tín hiệu.

Cách thức đọc đồ thị S11 trên VNA

Đối với một đồ thị S11, tần số được biểu diễn trên trục ngang và mức độ phản xạ theo dB được thể hiện trên trục dọc. Trong đó, các tần số có mức phản xạ giảm đáng kể sẽ được thể hiện qua các đường lõm xuống. 

Định nghĩa về S21 và quá trình truyền dẫn tín hiệu

Đồ thị S21 thường được dùng để mô tả khả năng truyền tín hiệu từ cổng đầu vào sang cổng đầu ra. Trong đó, bộ lọc RF, cáp truyền dẫn, đầu nối và khuếch đại thường được đánh giá dựa trên các thông số này. Bên cạnh đó, S21 thường thể hiện giá trị âm khi biểu diễn theo dB đối với các linh kiện thụ động có tổn hao, và mức suy hao truyền dẫn càng thấp khi giá trị càng gần 0 dB. Và khi linh kiện được đưa vào đường truyền, suy hao chèn sẽ được dùng để mô tả mức suy giảm của tín hiệu. S31 cũng có thể mang giá trị dương đối với bộ khuếch đại do thiết bị bổ sung năng lượng cho tín hiệu thông qua nguồn cấp điện. Chính vì vậy, để diễn giải kết quả, các kỹ sư cần cân nhắc một số yếu tố khác như loại thiết bị và điều kiện đo.

Các thức đọc đồ thị S21 trên VNA

Để xác định vùng tín hiệu được truyền qua tốt và vùng bị suy giảm, người ta dùng đồ thị S21 để thể hiện mức truyền dẫn theo tần số. Tùy vào đặc tính thiết kế của thiết bị mà hình dạng biểu diễn sẽ khác nhau. Cụ thể, S21 thường duy trì ở mức cao trong dải thông và giảm tần số đi vào dải chắn đối với bộ lọc thông thấp, và đồ thị thường có vùng truyền dẫn cao quanh dải tần mục tiêu và suy giảm ở những tần số bên ngoài đối với bộ lọc thông dải. Bên cạnh đó, các kỹ sư cần quan tâm đến một số thông số như tần số trung tâm, độ rộng dải thông và suy hao chèn khi kiểm tra bộ lọc. Khi đó, các kỹ sư có thể nhận biết được bộ lọc có khả năng hạn chế tín hiệu không mong muốn thông qua mức suy giảm ngoài dải thông. Không chỉ vậy, mức độ suy hao theo tần số và các bất thường trong đường truyền của cáp RF cũng có thể được đánh giá thông qua S21. Không chỉ vậy, S21 có thể hỗ trợ đánh giá độ lợi và độ phẳng của đáp ứng tần số trong bộ khuếch đại.

Phân tích kết hợp S11 và S21

Theo định nghĩa và nguyên lý hoạt động, S11 và S21 sẽ cung cấp những góc nhìn bổ sung cho nhau về hiệu suất của thiết bị. Trong khi S11 cung cấp các khía cạnh về mức độ phản xạ tại đầu vào, thì S21 phản ánh khả năng truyền tín hiệu sang đầu ra. Chính vì vậy, thay vì dựa vào một đồ thị riêng lẻ, các kỹ sư cần đánh giá đồng thời cả hai thông số để có được góc nhìn trực quan nhất. 

Những lưu ý khi đo bằng VNA

Quá trình hiệu chuẩn có tác động đáng kể đến độ chính xác của phép đo. Ở tần số cao, các kết quả đo có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như cáp đo, đầu nối, sự không tương thích trở kháng và chất lượng kết nối. Chính vì vậy, một số giải pháp nhằm tăng độ chính xác có thể kể đến như giữ đầu nối sạch, kiểm tra cáp thường xuyên hoặc đảm bảo thực hiện đúng quy trình khi kết nối.

Kết luận

Nhìn chung, để phân tích đặc tính của các linh kiện và hệ thống RF, các kỹ sư có thể cân nhắc sử dụng S-Parameters. Trong đó, mức phản xạ và khả năng phối hợp trở kháng sẽ được đánh giá thông qua S11, trong khi khả năng truyền dẫn và suy hao sẽ được đánh giá thông qua S21.