Báo cáo thực hành thí nghiệm anten và siêu cao tần
Trang 1BÁO CÁO THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM ANTEN VÀ SIÊU
CAO TẦN
MỤC LỤC
LAB 1: PHÂN TÍCH THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ ĐƠN GIẢN
Phần 1: Đường truyền cơ bản trong miền tần số Trang 2
Trang 2LAB 1: PHÂN TÍCH THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ ĐƠN GIẢN
Phần 1: Đường truyền cơ bản trong miền tần số
2.1 Các loại đường truyền cơ bản:
Đường truyền không tổn hao tiêu chuẩn còn gọi là đường truyền T, nó được xác nhận bởi các thông số sau:
- Zo: trở kháng đặc trưng
- TD: thời gian trễ, là độ dài của đường truyền theo đơn vị thời gian
Độ dài của đường truyền L được tính theo công thức sau:
D
u
Trong đó, u plà vận tốc pha của sóng truyền trên đường truyền
Vận tốc pha và trở kháng đặc trưng được suy ra từ các “phần tử tập trung” của đường truyền Với L’ là độ tự cảm nối tiếp trên một đơn vị chiều dài và C’ là điện dung song song trên một đơn vị chiều dài, chúng ta có:
' '
1
C L
'
'
0
C
L
2.1.1 Các đồng trục tiêu chuẩn:
Cho một cáp đồng trục RG-58 quen thuộc, trở kháng đặc trưng Z0=50Ω và vận tốc pha
up=2/3c Với c3.108m s là vận tốc ánh sáng.
Câu hỏi 1: Đối với đường truyền trên, tính các thông số độ tự cảm nối tiếp và điện
dung song song trên một đơn vị chiều dài?
s
m c
m nF m C
m pH m L
C L C
C L C
1, ( 10 10 100 1 10 4 2500 1 '
5, ) ( 10 2500 '.
2500 ' ' 10 4 1 ' '.
50 ' ' 10 2 '.
1
10 8 16
10 16 8
Đối với cáp đồng trục không tổn hao, các công thức tiếp theo mô tả quan hệ khác của
độ tự cảm nối tiếp L’ và điện dung song song C’ đối với bán kính của dây dẫn bên trong a và dây dẫn bên ngoài b
a
b
2
'
(2.4)
Trang 3
a b
C
ln
2 '
(2.5)
Câu hỏi 2: Cho cáp đồng trục khác, μ = μμ μ = μ= μ = μ μ = μμ 0 và ε μ = μ= μ = μ μ = μ3ε 0 Tính b/a μ = μ nếu Z 0 = 50 Ω?
Trả lời:
22 , 4
44 , 1 6
3 5 1200 50
36
10 3 4
10 4 50 3
4
50 4
ln 4
ln '
'
44
,
1
9 2
7
0 2
0 2
0 2
2
0
e
a
b
Z a
b a
b C
L
Z
Câu hỏi 3: Nếu b=3mm, trong câu hỏi 2 tính a?
22 , 4
3 22 ,
b
a
2.2 Các mô hình Spice của đường truyền:
L o a d
0
Z G
5 0
I n p u t
P A R A M E T E R S :
d e l a y = 5 n s
Z L
1 0 0
0
V G
1 V a c
0 V d c
T 1
T D = { d e l a y }
Z 0 = 5 0
Fig 1: Sơ đồ mạch của phần 2.2
Sử dụng phần mềm SPICE, tạo nguồn nguồn VAC Thevenin có biên độ 1 V và trở
kháng nguồn 50Ω, dọc theo đường truyền loại T, kết cuối tải 100Ω Tùy chỉnh đường truyền để có trở kháng đặc trưng 50Ω Tạo nhãn Input và Load ở 2 đầu đường truyền
để có thể đo điện áp một cách thuận tiện
Những gì chúng ta sẽ làm là để điều chỉnh chiều dài của đường truyền và kiểm tra mô hình sóng đứng ở ngõ vào qua một bước sóng cực đại ở tần số 200MHz
10 200 3
10 3 2
3
2
6
8
m f
c f
u p
Trang 4Câu hỏi 5: Tính độ trễ ứng với λ/16? (Gợi ý: nhớ rằng T u L L f
p D
)
Trả lời: 16 . 161 16.2001.106 312,5.10 12(s) 312,5(ps)
f f
L u
L T L
p
Sử dụng SPICE để mô phỏng từng bước trạng thái AC ứng với đường truyền này có
độ dài lần lượt 0, λ/16, 2λ/16, …, 15λ/16, λ Canh giữa vùng quét trên tần số mong muốn và quét tuyến tính
Hình 2: Mô tả đoạn đường truyền thay đổi trong mục 2.2
Hướng dẫn: Sử dụng Parameter đối với TD Vẽ PARAM từ thư viện special.olb Double click vào nó và chọn New Column… Đặt tên delay với giá trị 5ns Gán
{delay} (có cặp dấu ngoặc nhọn) cho TD lên đường truyền Khi tạo profile mô phỏng, chọn tùy chọn quét theo tham số Chọn Global Parameter với tham số delay Đặt vùng quét và khoảng tăng dựa trên các tính toán ở trên
Trang 5Dưới “General Settings” chỉnh vùng quét (Sweep Range) từ tần số bắt đầu 200Meg đến tần số kết thúc 200Meg và khoảng tăng Total Points là 1
Sử dụng Excel, lập bảng biên độ điện áp và biên độ dòng ở các cực Input và Load đối với mỗi đoạn đường truyền
L/λ (ns)TD |V(mV)input| (mA)|IZG| |V(mV)load| (mA)|IZL|
0 0 666.667 6.6667 666.667 6.6667 1/16 0.3125 628.99 8.117 666.667 6.6667 1/8 0.625 527.046 10.541 666.667 6.6667 3/16 0.9375 399.908 12.595 666.667 6.6667 1/4 1.25 334.855 13.333 666.667 6.6667 5/16 1.5625 399.782 12.584 666.667 6.6667
Trang 63/8 1.875 527.046 10.541 666.667 6.6667 7/16 2.1875 626.854 8.0029 666.667 6.6667 1/2 2.5 666.667 6.6667 666.667 6.6667 9/16 2.8125 626.854 7.9982 666.667 6.6667 5/8 3.125 527.435 10.579 666.667 6.6667 11/16 3.4375 399.908 12.58 666.667 6.6667 3/4 3.75 333.333 13.316 666.667 6.6667 13/16 4.0625 399.908 12.58 666.667 6.6667 7/8 4.375 528.988 10.549 666.667 6.6667 15/16 4.6875 628.408 7.9982 666.667 6.6667
1 5 666.667 6.6667 666.667 6.6667
Câu hỏi 6: Sử dụng PSPICE, Excel, hoặc Matlab để vẽ biểu đồ biên độ của điện áp
ngõ vào phụ thuộc độ dài đường truyền TD (delay) Từ các giá trị điện áp trên biểu đồ và
mối quan hệ
min
max
V
V
số phản xạ ||
Trả lời:
Vmin = 333,333 mV Vmax = 666,667 mV
333 , 0 3
1 1 2
1 2 1
1 2
333 , 333
667 , 666
min
VSWR
VSWR V
V
VSWR
Câu hỏi 7: Sử dụng PSPICE, Excel hoặc Matlab để vẽ biểu đồ biên độ dòng điện ngõ
vào phụ thuộc độ dài đường truyền Từ các giá trị dòng điện trên biểu đồ, xác định VSWR và từ đó tính || Điện áp và dòng có suy ra cùng VSWR và || không?
Hình 6: Biểu đồ biên
độ điện áp ngõ vào (Sử dụng PSPICE)
Trang 7Trả lời:
Imin = 6,6667 mA Imax = 13,3333 mA
333 , 0 2
6667 , 6
3333 , 13
min
max min
max
I
I V
V
VSWR
Vậy tỉ số sóng đứng VSWR và hệ số phản xạ || không thay đổi khi tính với cường độ dòng điện ngõ vào
Câu hỏi 8: Vẽ biểu đồ biên độ trở kháng ở ngõ vào thay đổi theo độ dài đường truyền
bằng cách sử dụng các dữ liệu đã thu thập được với PSPICE Vẽ biểu đồ các phần thực
và ảo của trở kháng sử dụng PSPICE Đồng thời vẽ biểu đồ trở kháng sử dụng giản đồ Smith
Hình 7: Biểu đồ biên
độ dòng điện ngõ vào (Sử dụng PSPICE)
Trang 8Trả lời:
Câu hỏi 9: Tính hệ số phản xạ và tỉ số sóng đứng VSWR sử dụng trực tiếp các
phương trình (2.6) và (2.7) bên dưới Kiểm tra lại các kết quả của câu 6, 7 và 8
1
1
0
0
Z Z
Z Z
L
L
0
Z Z
Z Z
L L
Các giá trị này không thay đổi so với các thông số đã đo được ở câu 6,7 và 8
Câu hỏi 10: Vẽ biểu đồ biên độ điện áp trên tải thay đổi theo độ dài đường truyền
Điện áp này thay đổi như thế nào với các đoạn đường truyền? Từ điều này, bạn suy nghĩ như thế nào rằng công suất trên tải sẽ thay đổi theo chiều dài đường truyền?
Hình 8: Biểu đồ trở kháng ngõ vào (Sử dụng PSPICE)
Đường xanh lá cây: Biên độ
Trang 9Trả lời:
Điện áp trên tải hầu như không thay đổi theo các đoạn đường truyền:
VLOAD = 666.6667 mV Suy ra công suất trên tải cũng không thay đổi với các độ dài đường truyền khác nhau
2.3 Ngắn mạch và các trường hợp trở kháng tải:
SPICE có cơ chế tốt để quét tần số nhưng không quét độ dài đường truyền một cách
trực tiếp “Độ dài điện” của đường truyền là βl,l,
l u
f l l
p
2 2
Vì thế, độ dài đường truyền thay đổi từ l đến 10l cũng tương ứng tần số quét từ 10f đến
f Hoặc nói theo cách khác, nếu một đoạn đường truyền là 1 λ ở tần số f 0, thì nó dài 0.5
λ ở 0.5f 0 và dài 2 λ ở 2f 0
Câu hỏi 11: Nếu ta có 1m cáp đồng trục đã mô tả ở câu hỏi 4, ở tần số nào thì nó có
độ dài λ/2? Ở tần số nào nó có độ dài 2.5λ? (Chú ý rằng chúng ta không thay đổi độ dài vật lý của đường truyền, chỉ thay đổi “độ dài điện” đã nói ở trên)
Trả lời:
Ở câu 4, với đoạn đường truyền là λ ở tần số f=200MHz
Suy ra, với đoạn đường truyền là 0.5λ ở tần số 100MHz
Suy ra, với đoạn đường truyền là 2.5λ ở tần số 500MHz
Hình 10: Biểu đồ biên độ điện áp trên tải (Sử dụng PSPICE)
Trang 10Sử dụng một đường truyền dài 1m, điều chỉnh trình mô phỏng SPICE để quét tuyến tính trong tần số từ 0.5 đến 2.5 lần bước sóng Lần mô phỏng này chúng ta không điều chỉnh độ dài của đường truyền mà điều chỉnh tần số của hệ thống để tạo ra các kết quả tương tự
Z G
5 0
V G
1 V a c
0 V d c
T 1
T D = 5 n s
Z 0 = 5 0
Z L
1 0 0
0
L o a d
I n p u t
0
Fig 3 Sơ đồ mạch của câu hỏi 13 (Hiệu chỉnh độ dài)
Câu hỏi 12: Vẽ biểu đồ biên độ điện áp ở ngõ vào ứng với các ‘độ dài điện” khác
nhau (nhớ rằng chúng ta thực sự chỉ điều chỉnh tần số) là nhãn thuộc tính của trục hoành (sử dụng Text box trong PSPICE) Biểu đồ này có đúng với biểu đồ đã có ở câu 6? Tính VSWR?
Trang 11Trả lời:
Biểu đồ này tương tự với biểu đồ ở câu 6
Vmin = 333,459mV Vmax = 665,66mV
2 459 , 333
66 , 665
min
max
V
V
VSWR
Thay thế tải 100Ω với tải 25Ω
Từ biểu đồ, tính VSWR?
Hình 12: Biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào thay đổi theo tần số
Ứng với ZL=100Ω (Sử dụng PSPICE)
Trang 12Vmin = 333,338mV Vmax = 666,661mV
2 338 , 333
661 , 666
min
V
V
VSWR
Thay thế tải với “ngắn mạch”, ZL=0.001Ω
Câu hỏi 14: Vẽ biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào Từ biểu đồ, tìm VSWR Từ phương
trình (2.6) và (2.7) tính VSWR Hai kết quả này có giống nhau không?
Trả lời:
Hình 13: Biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào thay đổi theo tần số
Ứng với ZL=25Ω(Sử dụng PSPICE)
Trang 13Vmin = 0V Vmax = 1V
Tính theo biên độ điện áp:
0
1
min
max
V
V VSWR
Tính theo trở kháng tải: 00 5050 1
0
0
Z Z
Z Z
L L
0
2 1 1 1 1 1
1
VSWR
Cả 2 cách tính đều cho kết quả giống nhau
Thay thế tải với trường hợp hở mạch, ZL=1MΩ
Câu hỏi 15: Vẽ biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào Tính VSWR tương tự câu 14, so
sánh 2 kết quả VSWR
Trả lời:
Hình 14: Biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào thay đổi theo tần số
Trường hợp ngắn mạch ZL=0.001Ω(Sử dụng PSPICE)
Trang 14Vmin = 0V Vmax = 1V
Tính theo biên độ điện áp:
0
1
min
max
V
V VSWR
50 10
50 10
6 6
0
Z Z
Z Z
L L
0
2 1 1
1 1 1
1
VSWR
Cả 2 cách tính đều cho kết quả giống nhau
Câu hỏi 16: Các biểu đồ từ câu 14 và câu 15 tương tự nhau như thế nào?
Trả lời: Biểu đồ ở câu 14 và câu 15 có cùng biên độ nhưng lệch pha π/2
Hình 15: Biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào thay đổi theo tần số
Trường hợp hở mạch ZL=1MΩ(Sử dụng PSPICE)