BÁO cáo THÍ NGHIỆM SIÊU CAO tần và ANTEN

Báo Cáo Thí Nghiệm Siêu Cao Tần Và Anten Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng Khoa Điện Tử Viễn Thông LAB1: PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG MIỀN TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN LAB2: ĐƯỜNG TRUYỀN CƠ BẢN TRONG MIỀN TẦN SỐ LAB3: QUÁ ĐỘ TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN

- Kiểm tra kết quả và trả lời các câu hỏi

2 Sơ đồ mạch điện

2.1 Tạo một New simulation để vẽ dạng sóng của các thông số như điện áp, dòng điện…

cách thiết lập profile như sau :

Page 2

2.2 Dạng sóng :

a Dòng và áp của nguồn( source):

b Dòng điện và điện áp của tải( load):

Ở tần số rất cao Zc= 0, và hệ số phản xạ =0 Vì vậy, điện áp nguồn và tải gần như là không đổi (Vload )

c.Thực hiện tất cả các thao tác sau đối với 2 trong 4 thông số ở câu a và b:

- R() : phần thực

- Imag() : phần ảo

- phase() : pha

- M() : độ lớn

- Cho điện áp nguồn (source):

+ Phần thực, phần ảo, pha, biên độ của điện áp nguồn (Vsource)

Page 4

- Cho điện áp tải (Load):

+ Phần thực, phần ảo, pha, biên độ của điện áp tải Vload

2.4 Vẽ đồ thị Bode

Vẽ đồ thị Bode cho Vsource và Vload:

Page 5

2.5 Lặp lại mô phỏng cho dãy tần từ 100Khz đến 100KHz Vẽ đồ thị Bode cho cùng đầu

ra

Đồ thị Bode của điện áp nguồn và tải cho dãy tần số từ 100kHz đến 100MHz

- Trong mạng thụ động, tại sao điện áp tải lớn hơn điện áp nguồn

Trả lời : Điện áp tải cao hơn so với điện áp nguồn tại một số điểm ở tần số cao và bằng với một số điểm tần số thấp là do tác động của đường truyền, tại tần số thấp tác động là không đáng kể nhưng tại tần số cao chúng ta cần xét đến tác động của đường truyền Vì vậy đường truyền tác động đến mạch điện: Sự có mặt của tín hiệu phản xạ có thể bị giới hạn trở lại từ tải trở về nguồn Vì vậy khi tín hiệu phản xạ bị giới hạn lại có thể là nguyên nhân dẫn đến điện áp tải lớn hơn điện áp nguồn tại một số tần số cao

2.6 Thay nguồn VAC bởi nguồn sin VSIN.( chọn giá trị thích hợp cho biên độ và tần số, cài đặt Offset bằng 0)

Page 6

Với f=0.5GHz T= = = 2ns

Với số chu kỳ sóng yêu cầu là 5 chu kì thời gian thực hiện mô phỏng t=5*2ns = 10ns;

Ta thiết lập mô phỏng:

- Chọn mô phỏng dựa vào miền đáp ứng thời gian

-Thời gian thực hiện là 10ns, dữ liệu bắt đầu từ 0ns và kích thước tối đa 0.01ns

Dạng sóng nguồn và tải cho 5 chu kì sóng

Tại tần số 0.5GHz với các giá trị đường truyền như ta đã chọn thì sóng ở tải trễ pha 180o

Chứng minh: Thời gian trễ của đường truyền là TD=1ns

Thời gian trễ ttrễ =1ns

Chu kì tín hiệu là Tchu kì =2ns

Suy ra: trễ pha Ө trễ=(ttrễ/Tchu kì).360o = (1/2).360o = 180o

Page 7

Đồ thị trên cho thấy sự trễ pha π (tương ứng với 180 độ) Bởi vì thời gian trễ trên đường truyền là 1ns tương ứng với 1/2 thời gian của 1 chu kỳ tín hiệu Do đó điện áp tải trễ so với điện áp nguồn 1/2 chu kỳ

2 Mô hình đường truyền cơ bản:

- T là một đường truyền không tổn hao với các thông số sau :

- Z0 là trở kháng đặc tính

- TD là thời gian trễ (time delay) ,chính là chiều dài của đường truyền trên một đơn vị thời gian

Gọi : L là chiều dài đường truyền,

up là vận tốc pha của sóng trên đường truyền thì L=upTD (2.1)

Với L’là độ tự cảm trên một đơn vị chiều dài, và C’dung kháng trên một đơn vị chiều dài Thì ta có:

Page 9

Đối với loại cáp đồng trục không tổn hao, các công thức sau đây liên quan đến điện cảm L

và điện dung Cvới bán kính của dây dẫn bên trong a và dây dẫn bên ngoài b:

Nếu b = 3 mm trong câu hỏi 2, thì a bằng bao nhiêu?

Trả lời: Nếu b = 3 mm trong câu hỏi 2, thì

2.2 Mô phỏng đường truyền

Sử dụng SPICE, tạo một nguồn Thevenin với biên độ điện áp là 1V, trở kháng nguồn

là 50Ohm Dẫn đên đường truyền dạng T và nối với tải 100Ohm Chỉnh sử đường truyền

để có trở kháng đặc tính là 50Ohm Ngoài ra, tạo nhãn vào và tải tại các điểm đầu của đường truyền để có thể đo điện áp thuận tiện

Sơ dồ mạch:

Trả lời: bước sóng trong đường truyền được tính bằng công thức:

Câu hỏi 5: Thời gian trễ kết hợp với λ/16 bằng bao nhiêu? (Với f

L u

L T

p D

)

Trả lời: Thời gian trễ ứng với λ/16 là:

Sử dụng SPICE để mô phỏng các đáp ứng trạng thái ổn định AC của đường truyền này

có chiều dài 0, λ/16, 2λ/16, , 15λ/16, λ

Minh họa chiều dài đường truyền thay đổi cho phần 2.2

Page 11

Sử dụng Excel,tạo một bảng biên đô điện áp và biên độ dòng điện ở các node “Input” và

“Load” cho mỗi chiều dài đường truyền

Câu hỏi 6: Sử dụng PSPICE, Excel, hoặc Matlab để vẽ cường độ của điện áp tại đầu

“input” với chiều dài đường truyền Từ các giá trị điện áp trênđồ thị và phương trình VSWR = , xác định VSWR, và từ VSWR tính | |

Trả lời: Từ các giá trị điện áp trên đồ thị dạng sóng phương trình như hình vẽ:

Page 12

Câu hỏi 7: Sử dụng PSPICE, Excel, hoặc Matlab để vẽ cường độ của dòng điện tại đầu

“input” với chiều dài đường truyền từ các giá trị dòng điện trên đồ thị, xác định VSWR,

từ VSWR tính | |

Suy ra:

26667

.6

3333.13min

max

mA

mA I

I

3

1 1 2

1 2 1

1

|

|

VSWR VSWR

Page 13

Nhận xét: VSWR và | | trong 2 trường hợp trên giống nhau

Câu hỏi 8: Vẽ độ lớn của trở kháng với chiều dài đường truyền sử dụng dữ liệu thu thập

từ PSPICE

2.3 Ngắn mạch và quá tải trở kháng tải

SPICE là một công cụ tốt để quét tần số, nhưng không thể trực tiếp quét chiều dài của

đường truyền“electrical length” của đường truyền là βl

l u

f l

Câu hỏi 11: Nếu ta có 1 mét cáp đồng trục như ở trong câu hỏi 4, thì tần số của nó tại

chiều dài λ/2, 2.5λ là bao nhiêu? (chú ý rằng ta không được thay đổi chiều dài vật lý của đường truyền)

Trả lời : Cáp đồng trục trong câu hỏi 4 có tần số f = 200MHz

Vì vậy, nó có chiều dài0.5 tại 0.5f =0.5x200MHz =100MHz

Và nó có chiều dài2.5 tại 2 5f 2 5X200MHz 500Mhz

Sử dụng 1m chiều dài đường truyền, chỉnh mô phỏng SPICE của ban, quét trực tiếp tần số

từ 0.5 đến 2.5

Page 14

Câu hỏi 12: Vẽ dạng sóng điện tại “input” ứng với các chiều dài khác nhau (có thể điều

chỉnh thay đổi tần số)? VSWR bằng bao nhiêu?

Đồ thị này phù hợp với đồ thị trong câu hỏi 6

Tính VSWR:

Vmax = 666.667mV

333 333

667 666

min

max

mV

mV V

V VSWR

Page 15

Thay thế tải 25 Ω cho tải 100 Ω

Câu hỏi 14: Vẽ dạng sóng biên độ của điện áp vào Từ biểu đồ dạng sóng, Tính VSWR

Từ các phương trình (2.6) và (2.7) Tính VSWR So sánh hai kết quả?

Tính VSWR:

Vmax = 666.667mV

Vmin = 333.333mV

2 333

333

667 666

min

max

mV

mV V

V

VSWR

VSWR là như nhau cho các trường hợp 100Ω và 25Ω

- Thay tải bằng 0,001 Ω, giống như ngắn mạch tải (TH ngắn mạch )

Câu hỏi 15: Vẽ dạng sóng biên độ của điện áp vào Từ biểu đồ dạng sóng, Tính VSWR

Từ các phương trình (2.6) và (2.7) Tính VSWR So sánh hai kết quả?

V VSWR

0

1

min max

- Thay tải bằng 1 mega ohm (TH hở mạch )

Câu hỏi 16: Vẽ cường độ điện áp vào Từ đồ thị, tính VSWR Từ các phương trình

V VSWR

0

1min max

3.2 Tải thuần trở

3.2.1 Hàm bước nhảy, phối hợp trở kháng tải

- Trước tiên, tạo một đường truyền có trở kháng 50 với tổng chiều dài (thời gian trễ)

là 25ns, và cung cấp cho nó nguồn Thevenin 10u(t) có trở kháng nguồn Rg=50 Trở

kháng tải RL=50 ,sau đó chạy mô phỏng

Câu hỏi 1:Vẽ điện áp tại 2 điểm đầu và cuối của đường truyền trong khoảng thời gian t

= 0 50 ns

Giải thích:Hệ số phản xạ tại nguồn là:

0 50 50

50 50

50 10

V Z

Vì vậy, điện áp tại tải là tổng của hai sóng: V= V1++V1+ =5-15/7= 2.857V

Tại t = 2T = 50ns, sóng trở lại nguồn do g 0, không có sóng phản xạ biên độ điện áp

0

2

V Như vậy, điện áp tại nguồnlà: V =V1++V1-+V2+ =2.857V

Page 19

Tại t = 3T = 75ns, sóngđến tải, do L= -3/7 sóng phản ánh với biên độ: V2

=V2 +

L=0V Nên điện áp tại tải V=V1+ +V1+ +V2+ +V2- = 2.857V

Tương tự t=4T= 100ns điện áp tại nguồn V=2.857V

3.2.3 Hàm bước nhảy, không phối hợp trở kháng tải và nguồn

Thay trở kháng tải là 20 trở kháng nguồn 200

Câu hỏi 3:Vẽ điện áp tại 2 điểm đầu cuối của đường truyền trong khoảng thời gian

t=0 300ns

Giải thích:

Tại t = T = 25ns, sóng phản xạ tại tải V1- = L.V+1 = -3/7*2= -6/7V

Vì vậy, điện áp tại tải là tổng của hai sóng: V= V1

+

+V1 +

=2-6/7= 1.1428VTại t = 2T = 50ns, sóng trở lại nguồn ,sóng phản xạ biên độ điện áp V2+ = g.V1- =

= Như vậy, điện áp tại nguồnlà: V =V1++V1-+V2+ =2-6/7-18/35 = 0.6286V

Nên điện áp tại tải V=V1+ +V1+ +V2+ +V2- = 2-6/7-18/35+54/245= 0.849V

Tương tự t=4T= 100ns điện áp tại nguồn V=0.981V

t=5T=125ns điện áp tại tải V=0.9812V

t=6T=150ns điện áp tại nguồn V= 0.89V

t=7T=175ns điện áp tại tải V= 0.905V

t=8T=200ns điện áp tại nguồn V= 0.914V

=2V t=T=25ns VL =V1

+

+ L.V1

+

=(1-3/7).2 = 1.143V t=3T/2=37.5ns Vm=V1

= -3/7.2= -0.857V t=2T=50ns Vi=V1- +V2+=( L+ g L).V1+ = -1.371V t=5T/2=62.5ns Vm =V2+ = -0.514V

t=3T= 75ns VL= V2+ + V2-=( L g+ L2 g)V1+ = -0.294V t=7T/2=87.5ns Vm= V2- = L2 g.V1+= 0.2204V

KL: mất 12.5ns thì xung “Ghost” đến tải

Page 22

Câu hỏi 5 :

Sự chuyển đổi từ “high” xuống “low” tại tải rõ ràng

3.3 Tải là phần tử tích cực

Sử dụng nguồn vg(t) = 10u(t), R g=25 ,đường truyền có Z0=50 và TD= 25ns

Câu hỏi 6: Đầu cuối tải là một tụ điện 1 nF vẽ điện áp ở nguồn và cuối tải của đường truyền với

t = 0…600ns

Page 23

: Đối với mạch điện dung

: Đối với mạch điện cảm

R=

Câu hỏi 7: Thay tụ điện bằng cuộn cảm L=0.25 μH lặp lại câu hỏi trên

Page 24

Đồ thị

Page 25