THI NGHIM SIEU CAO TN VA ANTEN

THÍ NGHIỆM SIÊU CAO TẦN VÀ ANTEN Bài PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG MIỀN TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN 1.1 Mở phần mềm Pspice: Start->All Programs->EE Programs->PSpice Student->Capture Student 1.2 Tạo project mới: File->New->Project a Chọn nơi chứa file b Chọn “Analog or Mixed Signal” c Chọn “Create a blank project” RS T1 Vsource 1Vac 0Vdc VS Vload 50 V CL V TD = 1ns Z0 = 50 VRL 1nF RL 50 0 Hình 1.1 Sơ đồ mạch 1.3 Vẽ sơ đồ mạch hình 1: a Vẽ linh kiện mạch: Place->Part  Đường truyền: T/Analog (analog library)  Điện trở: R/Analog (analog library)  Tụ điện: C/Analog (analog library)  Nguồn điện áp quét tần số: Vac/Source (source library) b Kết nối linh kiện lại: Place->Wire c Mạch nối đất: Place->Ground  Ground: “0” (bạn thêm từ nguồn thư viện) d Các nút nhãn: Place->Net Alias 1.4 Nhập giá trị linh kiện hình Ví dụ: R = 100 Ω Nếu giá trị hiển thị, bạn kích đơi chuột vào giá trị để thay đổi Nếu giá trị thuộc tính đường truyền khơng hiển thị, ta kích đơi chuột vào biểu tượng đường truyền, có bảng hội thoại có tất thuộc tính liên quan đến đường truyền Ta chọn thuộc tính muốn hiển thị (TD Z0) Sau đó, kích vào nút “Display”, chọn “Name and Value” thuộc tính Nếu khơng tìm thấy TD Z0 thuộc tính đường truyền, ta thử thay đổi “Filter by” để dễ tìm thấy 1.5 Kí hiệu a k -kilo b MEG-mega c G-giga d m-mili e u-micro f n-nano g p-pico 1.6 Thiết lập mô phỏng: Pspice->New simulation profile a Chọn “AC sweep” thẻ “Analysis” b Nhập tần số bắt đầu: 100MEG c Nhập tần số kết thúc: 10G d Chọn thang “Logarithmic” e Nhập số điểm liệu để xử lý Hình 1.2 Thiết lập mơ AC có tần số quét 100 MHz đến 10GHz với 1000 điểm 1.7 Mô phỏng: PSpice->Run 1.8 Kiểm tra kết quả: (từ cửa sổ mô phỏng) View->Output File 1.9 Vẽ đồ thị: Kích chọn Trace->Add Trace để vẽ thơng số dòng điện hay điện áp Yêu cầu vẽ đồ thị biểu diễn thơng số sau: a Dịng điện điện áp nguồn b Dòng điện điện áp tải c Thực tất thao tác sau thông số câu a câu b:  R() – phần thực  Imag() – phần ảo  P() – pha  M() – độ lớn 1.10 Kích nút “Toggle Cursor” Nó cho phép bạn nghiên cứu đánh dấu điểm đồ thị Sử dụng trỏ để theo dõi dạng sóng mơ Đánh dấu điểm đồ thị 1.11 Vẽ đồ thị Bode Vsource Vload cách vẽ 20*LOG10(điện áp) Ta gõ câu lệnh vào hộp thoại Trace 1.12 Lặp lại mô cho dãy tần số từ 100 kHz đến 100 MHz Vẽ đồ thị Bode cho đầu Trong mạng thụ động này, điện áp tải lại cao điện áp nguồn? 1.13 Thay nguồn VAC nguồn sin VSIN (Chọn giá trị thích hợp cho biên độ tần số, cài đặt Offset 0) RS T1 Vsource Vload 50 VOFF = VAMPL = 10 FREQ = 0.5G V VS CL V TD = 1n Z0 = 50 Vres 1n RL 50 0 Hình 1.3 Sơ đồ mạch cho câu 13 Lần mô thực miền thời gian (Time Domain Response) Vẽ dạng sóng điện áp VSOURCE VLOAD chu kì sóng Tại tần số 0,5 GHz, với giá trị đường truyền ta chọn trễ pha độ? Chứng minh Có thể sử dụng phương trình sau:  Trê  tTrê  360 TChuKi ĐƯỜNG TRUYỀN CƠ BẢN TRONG MIỀN TẦN SỐ Bài Trong thí nghiệm này, sử dụng phần mềm SPICE để tìm hiểu sóng sin đường truyền khơng suy hao Mục tiêu thí nghiệm giúp bạn làm quen với đặc điểm sóng phản xạ từ tải đường truyền, so sánh kết mơ với tính tốn lý thuyết biểu đồ Smith 2.1 Mơ hình đường truyền Có mơ hình đường truyền tổn hao T, xác định vài thông số Chúng ta cần xác định thông số:  Z0, trở kháng đặc tính  TD, thời gian trễ, chiều dài đường truyền đơn vị thời gian Chiều dài đường truyền L có mối quan hệ với thời gian trễ thơng qua phương trình sau: L = up T D (2.1) Với up vận tốc pha sóng đường truyền Như ta biết, vận tốc pha trở kháng đặc tính phụ thuộc vào yếu tố kênh truyền Gọi L’ điện cảm đơn vị chiều dài, C’ điện dung đơn vị chiều dài, ta có: up  Z0  L' C ' L' C' (2.2) (2.3) 2.1.1 Cáp đồng trục Cáp đồng trục RG-58, có trở kháng đặc tính Z0 = 50 Ω vận tốc pha up = 2/3 c (c tốc độ ánh sáng, c = 3.108 m/s) Câu hỏi 1: Đối với đường truyền điện cảm điện dung mét bao nhiêu? Đối với cáp đồng trục có suy hao, cơng thức sau thể mối quan hệ điện cảm L’ điện dung C’ với bán kính bán kính ngồi dây dẫn: L'  C'   b ln   2  a  2 b ln   a (2.4) (2.5) Câu hỏi 2: Cho cáp đồng trục có µ = µ0 ε = 3ε0 Tính b/a biết Z0 = 50 Ω Câu hỏi 3: Trong câu hỏi 2, b = mm a bao nhiêu? 2.2 Mơ đường truyền Sử dụng SPICE, tạo nguồn Thevenin VAC với biên độ điện áp trở kháng nguồn 50 Ω, truyền đường truyền T, có trở kháng tải 100 Ω Thiết lập đường truyền có trở kháng đặc tính 50 Ω Tạo nhãn “Input” nhãn “Load” đầu đường truyền, ta đo điện áp đầu thuận tiện ZG T1 Input 50 1Vac 0Vdc ZL Load 100 Z0 = 50 TD = {delay } VG PARAMETERS: 0 delay = 5ns 0 Hình 2.1 Sơ đồ mạch cho phần 2.2 Chúng ta cần để điều chỉnh độ dài dây dẫn kiểm tra mơ hình sóng đứng đầu vào bước sóng đầy đủ tần số 200MHz Câu hỏi 4: Tại tần số 200 MHz vận tốc pha up = 2/3 c bước sóng đường truyền bao nhiêu? Câu hỏi 5: Với bước sóng λ/16 thời gian trễ bao nhiêu? (chú ý: ta có cơng thức TD  L L )  up   f Sử dụng SPICE để mô đáp ứng trạng thái ổn định AC đường truyền có chiều dài 0, λ/16, 2λ/16, …, 15λ/16, λ Tập trung quét tần số đặc trưng quét tuyến tính Hình 2.2 Minh họa chiều dài đường truyền thay đổi cho phần 2.2 Để thực điều này, ta sử dụng tham số TD Đặc biệt PARAM Kích đơi lên tham số này, sau kích “New Column”, đặt tên cho cột “delay” thiết lập giá trị cho ns Gán {delay} (có dấu ngoặc nhọn) với TD đường truyền Khi ta cài đặt thông số mô phỏng, chọn thông số quét tùy chọn Chọn “Global Parameter” với thông số delay Thiết lập dải quét mức tăng dựa tính tốn TD bạn Tại “General Settings” ta thiết lập dải tần số, tần số bắt đầu: 200Meg tần số kết thúc: 200 Meg, tổng số điểm tăng: Sử dụng excel, tạo bảng cường độ điện áp cường độ dòng điện nút “Input” “Load” chiều dài đường truyền Câu hỏi 6: Sử dụng PSPICE, Excel, hay Matlab để vẽ cường độ điện áp “Input” với chiều dài đường truyền Từ giá trị điện áp đồ thị phương trình: VSWR  Vmax , xác định VSWR, từ VSWR tính || Vmin Câu hỏi 7: Sử dụng PSPICE, Excel, hay Matlab để vẽ cường độ dòng điện “Input” với chiều dài đường truyền Từ giá trị dòng điện đồ thị, xác định VSWR, từ VSWR tính || VSWR || trường hợp có giông không? Câu hỏi 8: Vẽ biên độ trở kháng “Input” với chiều dài đường truyền, sử dụng liệu thu thập từ PSPICE Vẽ phần thực phần ảo trở kháng sử dung PSPICE Câu hỏi 9: Tính  VSWR trực tiếp, sử dụng phương trình (2.6) (2.7) bên Có giống với kết đo từ câu hỏi 6, 8? VSWR   1  1  Z L  Z0 Z L  Z0 (2.6) (2.7) Câu hỏi 10: Vẽ đồ thị biểu diễn quan hệ cường độ điện áp chiều dài đường truyền Khi chiều dài đường truyền thay đổi cường độ điện áp thay đổi nào? Từ đó, bạn có đánh giá cơng suất nhận tải độ dài đường truyền thay đổi 2.3 Ngắn mạch q tải trở kháng tải SPICE có cơng cụ để qt tần số, khơng có trực tiếp qt chiều dài cảu đường truyền “electrical length” đường truyền βl l  2  l 2f l up (2.8) Vì vậy, việc thay đổi chiều dài đường truyền từ l đến 10l giống quét tần số từ 10f đến f Hay nói cách khác, chiều dài đường truyền λ tần số f0 chiều dài 0.5 λ 0.5f0 λ 2f0 Câu hỏi 11: Nếu ta có m cáp đồng trục câu hỏi 4, tần số chiều dài λ/2? Tại tần số ta có chiều dài 2.5λ (Chú ý, ta không thay đổi chiều dài vật lý đường truyền, “electrical length” định nghĩa trên) Sử dụng m chiều dài đường truyền, chỉnh mô SPICE bạn, quét trực tiếp tần số từ 0.5λ đến 2.5λ Trong mô này, ta không điều chỉnh chiều dài đường truyền, mà điều chỉnh tần số hệ thống đạt kết giống điều chỉnh chiều dài đường truyền ZG T1 Input ZL Load 50 1Vac 0Vdc 100 Z0 = 50 TD = 5ns VG 0 0 Hình 2.3 Sơ đồ mạch cho câu hỏi 13 Câu hỏi 12: Vẽ cường độ điện áp “Input” cho chiều dài khác (nhớ rằng, ta điều chỉnh tần số) trục ngang Có giống với đồ thị câu hỏi không? Giá trị VSWR bao nhiêu? Thay tải 100 Ω tải 25 Ω Câu hỏi 13: Vẽ cường độ điện áp “Input”, so sánh với trường hợp trước có tải 100 Ω Từ đồ thị, tìm giá trị VSWR? Thay tải 0.001 Ω, giống ngắn mạch tải Câu hỏi 14: Vẽ cường độ điện áp “Input” Từ đồ thị, xác định VSWR Từ phương trình (2.6) (2.7) tính giá trị VSWR So sánh kết với Thay tải MΩ, giống hở mạch tải (chú ý, PSPICE, MEG = “mega”, M = “milli”) Câu hỏi 15: Vẽ cường độ điện áp “Input” Từ đồ thị, xác định VSWR Tính giá trị VSWR tử phương trình (2.6) (2.7) So sánh kết với QUÁ ĐỘ TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN Bài 3.1 Giới thiệu Chúng ta tìm hiểu đường truyền tác động nguồn sin Với kiến thức có, cho phép ta thiết kế mạch đơn giản Ngược lại, việc phân tích q độ nói chung khó khăn tuân theo phân tích đơn giản, đặc biệt tải phần tử tích cực Trong phần thí nghiệm này, tìm hiểu lan truyền độ đường truyền với hỗ trợ phần mềm SPICE 3.2 Tải trở Trước tiên, ta sử dụng SPICE để tìm hiểu lan truyền xung đường truyền có tải trở 3.2.1 Hàm bước nhảy, phổi hợp trở kháng tải Trước tiên, tạo đường truyền 50 Ω với chiều dài (thời gian trễ) 25 ns, nguồn Thevenin 10u(t), với trở kháng nguồn Rg = 50 Ω, trở kháng tải RL = 50 Ω Chạy mô Để tạo nguồn điện áp, sử dụng nguồn VPWL Việc sử dụng nguồn VPWL cho phép tạo thời điểm khác điện áp thời điểm cách sử dụng thông số T1, T2, T3,… V1, V2, V3,…Hoặc ta sử dụng nguồn VPULSE Việc sử dụng nguồn VPULSE cho phép thiết lập điện áp ban đầu, V1, điện áp xung, V2, thời gian trễ, TD, thời gian sườn lên, TR, thời gian sườn xuống, TF, độ rộng xung, PW chu kì, PER Nguồn VPWL cho phép người dùng rõ điện áp thời điểm định sử dụng thông số T1, T2, T3 V1, V2, V3,…tương ứng Chú ý, nguồn kết nối điểm thiết lập cách trực tiếp Ngoài ra, hai điện áp khơng thể thiết lập thời gian, thay đổi tức thời phải xấp xỉ Ví dụ: Thiết lập nguồn VPWL cung cấp xung vuông 10 V, thời điểm bắt đầu t=0 cuối t = 10 ns, thông số sau xác định: T1 = 0, V1 = 0, T2=0.001n, V2 = 10, T3 = 10 n, V3 = 10, T4 = 10.001 n, V4 = (Nếu V3 = tạo thành sóng cưa) Việc sử dụng VPULSE cho phép xác định điện áp ban đầu, V1, điện áp xung, V2, thời gian trễ, TD, thời gian sườn lên, TR, thời gian sườn xuống, TF, độ rộng xung, PW chu kì, PER Một xung đơn tạo thành từ nguồn Nhiều tín hiệu phức tạp tạo thành từ việc kết hợp nhiều nguồn đơn Câu hỏi 1: Vẽ điện áp điểm đầu cuối đường truyền khoảng thời gian t = 0…50 ns Sử dụng hiểu biết “bounce diagrams”, giải thích đồ thị 3.2.2 Hàm bước nhảy, không phối hợp trở kháng Thay trở kháng tải trường hợp thành 20 Ω Câu hỏi 2: Vẽ điện áp điểm đầu cuối đường truyền khoảng thời gian t = 0…100 ns Sử dụng hiểu biết “bounce diagrams”, giải thích đồ thị 3.2.3 Hàm bước nhảy, không phố hợp trở kháng tải nguồn Thay đổi trở kháng tải trường hợp thành RL = 20 Ω, thay trở kháng nguồn thành Rg = 200 Ω Câu hỏi 3: Vẽ điện áp điểm đầu cuối đường truyền khoảng thời gian t = 0…300 ns Sử dụng hiểu biết “bounce diagrams”, giải thích đồ thị 3.2.4 Xung ngắn Thay đường truyền thành đường truyền nhau, có tổng chiều dài 25 ns (nghĩa có đường truyền khác nhau, đường truyền có trở kháng đặc tính 50 Ω, đường truyền có thời gian trễ 12.5 ns) Điều cho phép lấy mẫu “bên trong” đường truyền Với đường truyền Rg = 200 Ω, RL=20 Ω, thời gian tồn xung đường truyền 10 ns, tức vg(t) = 10(u(t) – u(t-10ns)) Câu hỏi 4: Vẽ điện áp nguồn, điểm tải đường truyền khoảng thời gian t = 0…100 ns Sử dụng hiểu biết “bounce diagrams”, giải thích đồ thị Mất để xung “ghost” (là xung mà ta thấy điểm đường truyền) đến tải? Độ lớn xung “ghost” bao nhiêu? 3.2.5 Xung dài Trong trường hợp trước, xung ngắn (10 ns) so với chiều dài đường truyền (25 ns) Bây giờ, ta tìm hiểu hệ thống phức tạp Câu hỏi 5: Sử dụng đường truyền trở kháng nguồn, trở kháng tải nguồn khác, nguồn có vg = +10 V khoảng thời gian t = 0…20 ns, vg = -10 V khoảng thời gian t = 20…40 ns Vẽ điện áp nguồn, điểm tải đường truyền khoảng thời gian t = 0…100 ns Sự chuyển đổi từ “high” xuống “low” tải có rõ ràng khơng? 3.3 Tải phần tử tích cực Như đề cập trước, thông thường tải điểm cuối bus liệu phần tử tích cực (và thường tụ điện) Trong phần này, sơ đồ mạch gồm nguồn điện vg(t) = 10u(t), trở kháng nguồn Rg= 25 Ω, đường truyền có trở kháng đặc tính 50 Ω chiều dài 25 ns Câu hỏi 6: Đầu cuối đường truyền có tụ điện 1nF Vẽ điện áp đầu đường truyền khoảng thời gian t = 0…600 ns Nếu thấy trình nạp hay xã, xác định thời τ R Có thể áp dụng cơng thức sau: Câu hỏi 7: Lặp lại thí nghiệm trên, với điện cảm tải bẳng 0.25 µH Câu hỏi 8: Lặp lại thí nghiệm trên, tải bao gồm RL = 100 Ω, L = µH C = 100 pF mắc song song với YÊU CẦU BÁO CÁO VÀ THUYẾT TRÌNH Yêu cầu báo cáo  Báo cáo đánh máy  Báo cáo không 20 trang  Báo cáo bao gồm đồ thị mơ phải nhận xét, giải thích cho đồ thị  Báo cáo bao gồm câu trả lời tất câu hỏi thí nghiệm u cầu thuyết trình  Thuyết trình tiếng Việt tiếng Anh  Thời gian thuyết trình: 10 – 12 phút  Khơng giới hạn số slide thuyết minh Phải đánh số slide Đánh giá  Chuyên cần, tinh thần học tập, trình làm thí nghiệm: 40 %  Báo cáo, thuyết trình, trả lời câu hỏi vấn đáp: 60 %