báo cáo thí nghiệm kĩ thuật siêu cao tần bài ống dẫn sóng chữ nhật

- Hệ số ghép C: hệ số ghép được định nghĩa là tỷ số giữa công suất sóng tới trên công suất sóng ghép trên nhánh ghép tính theo đơn vị decibel: - Hệ số định hướng D: hệ số định hướng đư

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

MÔN: LÍ THUYẾT TRƯỜNG VÀ KĨ THUẬT SIÊU CAO TẦN

Bài thí nghiệm 1

Nghiên cứu trường điện từ cơ bản trong ống dẫn sóng chữ nhật

1 Điều kiện lan truyền của sóng H 10 trong ống dẫn sóng chữ nhật.

Điều kiện để có sóng truyền lan trong đường truyền là   th, trong đó là bước sóng của máy phát, th là bước sóng tới hạn

Bước sóng pha tính theo công thức:

2

1

t

th











  

Đối với ống dẫn sóng chữ nhật thì: th = 2a

Các trường trong ỗng dẫn sóng chữ nhật:

Trường

đơn vị

H10 H20 H01 H11 , E11 H30 H40 H02

th

2ab

a b

2 3

a

2

Điều kiện để truyền lan sóng H10 trong ống dẫn sóng chữ nhật là: a<<2a

2 Cấu trúc các thành phần trường của trường cơ bản H 10

 

0

a

E E     

 

0

a a

H   H     



- Từ trường phân cực elip trong mặt phẳng xOz Phân cực này sẽ chuyển về phân cực thẳng hướng theo trục Ox tại giữa thành rộng(x=a/2 và Hxmax và

Hz=0), và hướng theo trục Oz tại hai bên thành hẹp(x=0,a; Hzmax và Hx=0)

- Cả 3 thành phần đều phân bố đều dọc trục Oy

3 Cấu trúc dòng điện mặt của trường cơ bản H 10

Do từ trường có 2 thành phần dọc theo 2 trục Ox và Oz nên bên trong thành ổng dẫn sóng sẽ xuất hiện dòng điện mặt:

0

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- Trên thành rộng (y=0,b) xuất hiện các dòng điện mặt chảy theo hai hướng

Ox và Oz mà: isx= Hz và isz= Hx

- Trên thành hẹp dòng điện mặt chỉ chảy theo phương Oy do thành phần từ trường Hz gây ra với: isy= Hz

- Các dòng điện mặt tập trung tại các nút giữa thành rộng cách nhau 1 khoảng

2

t



Tại các nút đối diện nhau trên thành rộng, dòng điện được khép kín bởi các dòng điện dịch sinh ra do điện trường hướng theo trục Oy

1 Xác định khoảng tần số công tác thích hợp của máy phát

a=2,3 cm ; b=1 cm

Theo điều kiện để truyền lan sóng H10 ta có: 2,3<<4,6 (cm)

Do đó khoảng tần số công tác thích hợp của máy phát là:

0, 65 10 ^10  f 1,3 10 ^10 (Hz)

2 Đo bước sóng pha t

Lần đo Zmin1 Zmin2  t = 2|Z min -Z max |

2 3

Cần chứng minh t >:

3 Xác định sự phân cực của trường

*Với chấn song đứng:

ax min

I

m

K 

1 1

d d

R K K







*Với chấn song ngang:

ax min

I

m

K 

1 1

d d

R K K







4 Đánh giá sự bức xạ của các khe dọc

* Khi hở khe thành rộng:

ax min

I

m

K 

1 1

d d

R K K







* Khi hở khe thành hẹp:

ax min

I

m

K 

1 1

d d

R K K







Bài thí nghiệm 2

Đo độ phẩm chất của hộp cộng hưởng

2 phương pháp đo độ phẩm chất:

1 Phương pháp mạng bốn cực.

Sơ đồ tương đương:

Gp : dẫn nạp nội của máy phát

Gd : dẫn nạp sóng của đường dây

G0 : dẫn nạp của hộp khi cộng hưởng

Gu : dẫn nạp vào của đồng hồ chuyển sang mạch dao động

I=Y.U

Y G iB   1 

t

G i Q

G=Gd+Go+Gu

0

t Gc

Q 

;

0

2 f

f

f

f f f

Xác định sự phụ thuộc U(f) hoặc U(f0) khi I0=const nên:

0 2

th

th

f

 ; 2thlà dải thông của mạch dao động ở mức 0,7 so với giá

trị cực đại

Độ phẩm chất tải của hộp:

0 2

t th

f

Q 



Phương pháp mạng 4 cực chỉ có thể xác định được Qt , không có khả năng xác định được độ phẩm chất riêng Q0 của hộp

2 Phương pháp mạng 2 cực

t

 = 3,88 cm

1 2

a



 

=>= 2,97 cm

2

t





= 1,7

Đo độ phẩm chất tải Q t của hộp cộng hưởng theo phương pháp mạng bốn cực.

Lần đo L1 (mm) L2(mm) L=(L 1 +L 2 )/

2(mm)

2 L =

| L 2 -L 1 |

2 2

t t

L L



 



Bài thí nghiệm 3

Đo các tham số của một số phần tử tuyến siêu cao tần

1 Bộ ghép định hướng

- Cấu tạo: bộ ghép sử dụng trong bài thí nghiệm này là hai đoạn ống dẫn sóng chữ nhật đặt vuông góc với nhau trên thành rộng chung với hai lỗ ghép tròn

A và B đặt cách nhau đoạn λ/4

- Nguyên tắc hoạt động: khi sóng H10 truyền vào nhánh (1) của bô ghép thì năng lượng sóng chủ yếu sang nhánh (3), khi qua hai lỗ tròn A và B thi một phần năng lượng sóng được ghép sang nhánh (4) còn nhánh (2) thì không có sóng truyền ra

- Hệ số ghép C: hệ số ghép được định nghĩa là tỷ số giữa công suất sóng tới trên công suất sóng ghép trên nhánh ghép tính theo đơn vị decibel:

- Hệ số định hướng D: hệ số định hướng được định nghĩa là tỷ số giữa công suất ở nhánh ghép trên năng lượng của sóng ở nhánh cách ly tính theo đơn vị decibel

2 Cầu T kép

Cấu tạo: cầu T kép sử dụng trong bài thí nghiệm này được cấu tạo từ việc ghép hai chạc ba vuông góc dạng E và H có chung mặt phẳng đối xứng

- Nguyến tắc hoạt động: cầu T kép mang tính chất của cả hai chạc ba vuông góc kiểu E và H nếu ta truyền sóng H10 vào nhánh (3) (nhánh E) thì sẽ có sóng ra đồng biên và ngược pha tại nhánh (1) và (2), nhánh (4) không có sóng ra nếu ta truyền sóng H10 vào nhánh (4) (nhánh H) thì sẽ có sóng ra đồng biên và đồng pha tại nhánh (1) và (2), nhánh (3) không có sóng ra Tức

là hai nhánh E và H cách ly với nhau

- Hệ số truyền: hệ số truyền giữa các nhánh được định nghĩa là tỷ số công suất giữa các nhánh tính theo đơn vị decibel

- Hệ số cách ly: được định nghĩa là tỷ số công suất giữa hai nhanh cách ly ((1)

và (2); (3) và (4)) tính theo đơn vị decibel:

3 Xác định tải và phối hợp trở kháng dùng que dò

- Để xác định trở kháng tải thì từ khoảng cách nút điện áp gần nhất đến tải dmin

ta đi từ điểm A (điểm nút điện áp) theo chiều ngược chiều kim đồng hồ (theo chiều về tải) một đoạn dmin/λt, giả sử đến điểm D trên hình vẽ, nối OD cắt vòng tròn Kd tại điểm mô tả trở kháng tải chuẩn hóa Zt, lấy đối xứng điểm này qua O trên vòng tròn Kd ta nhận được điểm mô tả dẫn nạp tải chuẩn hóa

Yt

- Với bài toán phối hợp trở kháng dùng một phần tử kháng thuần hay que dò mắc song song với đường truyền thì ta cần tính hai tham số: giá trị điện nạp

của que dò bk và vị trí mắc que dò d

- Để xác định d thì ta biết vị trí mắc que dò phải là các vị trí trên đường truyền

có giá trị dẫn nạp chuẩn hóa bằng giả sử là tại tiết diện AA như hình vẽ, trên đồ thị vong Smith đó là các giao điểm của vòng tròn Kd với vòng tròn

có g=1 (các điểm M và N) Nếu mắc tại M (que dò mang tính cảm) thì d được tính theo khoảng cách tương đối từ E đến M’ theo chiều kim đồng hồ (về máy phát):

Nếu mắc tại M (que dò mang tính cảm) thì d được tính theo khoảng cách tương đối từ E đến M’ theo chiều kim đồng hồ (về máy phát):

Để xác định giá trị bk thì ta đã biết bk=-bAA Trong đó -bAA là giá trị điện nạp chuẩn hóa của đường truyền tại tiết diện AA (vị trí mắc que dò) Nếu mắc tại

N thì bk(M)=-bAA(M)<0 còn nếu mắc tại M thì bk(N)=-bAA(N)>0

1 Đo các tham số ghép C và định hướng D của bộ ghép định hướng có hai lỗ tròn.

Lần đo L1(dB) L2(dB) L3(dB) C=L1-L2 D= L2-L3

2 Đo các tham số của bộ cầu T-kép

Lần

đo

L1 L2 L2’ L3 S 12 =

L 1 -L 2

S 1E =

L 1 -L 2

S 1H =

L 1 -L’ 2

S EH

=L 1

-L 3

Imin(µA) 7 8 8 2

Mô đun hệ số phản xạ các nhánh:

1 1

d ii

d

K

S   K

 ;

ax min

I

m

K 

Lần

đo

Kd1 Kd2 Kd3 Kd4 S11 S22 S33 S44

1 1,6 1,12 1,12 3,24 -0,23 -0,057 -0,057 -0,53

Xác định tải và phối hợp trở kháng dung một que dò

Lần

đo

Bài thí nghiệm 4

Các phép đo công suất

Công suất được định nghĩa là lượng năng lượng tiêu thụ trong một đơn vị thời gian Trong hệ SI, đơn vị của công suất là watt, theo đơn vị cơ sở là 1 J/ s

Đối với phép đo siêu cao tần, các mức công suất thường được chia thành 3 loại Các mức dưới 1mW được xem là công suất nhỏ Các công suất trung bình nằm giữa khoảng 1mW đến 10W.các công suất tren 10W được xem là mức công suất cao

Trong lĩnh vực siêu cao tần tiện lợi hơn cả là biểu diễn các mức công suất theo dBm chứ không phải theo W hay mW Ta có công thức chuyển từ biểu diễn bằng mW sang dBm:

1

P mW

P dBm

mW



Đồ thị bên dưới dùng để chuyển đổi giữa mW và dBm

Ngoài ra còn sử dụng 1 đơn vị công suất khác cho các mức công suất cao hơn là dBW, được xác đinh như sau:

1

P W

P dBW

W



Có thể thấy: P dBm  P dBW 30

Tại các tần số siêu cao, biên độ điện áp và dòng điện biến đổi dọc theo ống dẫn sóng Tuy nhiên công suất truyền trong một ống dẫn sóng không suy hao thì không phụ thuộc vị trí dọc theo ống dẫn sóng Do đó sẽ tiện lợi hơn nếu

đo công suất thay vì đo dòng điện và điện áp trong ống dẫn sóng

Hơn nữa tại tần số RF và siêu cao tần, các kỹ thuật đo công suất thực hiện đơn giản hơn và chính xác hơn so với kỹ thuật đo điện áp và dòng điện Các kỹ thuật đo công suất thường sử dụng nhất là dùng cặp nhiệt điện, các bộ tách sóng diode hoặc các điện trở nhiệt Các phương pháp sử dụng cặp nhiệt điện hay các bộ tách sóng diode đòi hỏi các thiết bị rất phức tạp và một bộ dao động rất chuẩn Tuy nhiên, các bộ tách sóng diode có thể được dùng để

đo các mức công suất nhỏ cỡ -70dBm Phương pháp điện trở nhiệt thì đơn giản hơn, nhưng độ nhạy bị giới hạn trong khoảng -20dBm

Điện trở nhiệt là một thiết bị bán dẫn có hệ số nhiệt âm: trở kháng giảm khi nhiệt độ tăng lên Hình bên dưới biểu diễn sơ đồ khối của bộ đo công suất bằng điện trở nhiệt Điện trở nhiệt biểu diễn bằng trở kháng RT, được đặt trong một nhánh của cầu đo Wheatstone, và được đưa vào trong ống dẫn sóng Ba điện trở khác của cầu đo được đặt trong bệ đo công suất

Bộ đo công suất hoạt động theo cách sau đây Trước khi tín hiệu siêu cao tần được đo, cầu phải được cân bằng sử dụng một tín hiệu âm tần 10KHz đặt giữa các điểm A và B công suất tín hiệu âm tần làm nóng điện trở nhiệt khiến trở kháng của nó giảm đi Tín hiệu này được điều chỉnh đến khi trở kháng của nó bằng R khi điều kiện này thỏa mãn sẽ không có dòng điện chạy qua Ampe kế nối giữa hai điểm C và D lúc này ta nói cầu Wheatstone

ở thế cân bằng Sau đó công suất tín hiệu âm tần P0 tiêu thụ trên điện trở nhiệt có thể được tính toán qua điện áp trên cầu đo (giữa các điểm A và B)

và giá trị R đã biết

Khi công suất siêu cao tần được đưa vào ống dẫn, cầu đo lệch khỏi thế cân

II Xử lý số liệu

Công suất trung bình tiêu thụ trên một điện trở :

P0

2

8

p p

R

U 



P = Pat– P0

Vị trí suy giảm

x(mm)

Pat(mW) Up-p(V) P(mW)

Đồ thị mối quan hệ P-x