Nội dụng bài báo cáo bao gồm 3 bài thí nghiệm (siêu cao tần và anten) cụ thể là: Bài 1: PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG MIỀN TẦN SỐ VÀ THỜI GIANBài 2: ĐƯỜNG TRUYỀN CƠ BẢN TRONG MIỀN TẦN SỐBài 3: QUÁ ĐỘ TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN
Bài 1: PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG MIỀN TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN 1.Giới thiệu: - Trong Lab ta xây dựng hệ thống điện tử thông tin gồm : bên phát ,bên thu đường truyền, sơ đồ hóa dạng mạch điện - Sử dụng phần mềm PSpice Student để xây dựng mạch điện mô mạch điện đó.để tìm mối quan hệ bên phát bên nhận thông qua thông số điện áp, dòng điện… - Kiểm tra kết trả lời câu hỏi Sơ đồ mạch điện 2.1 Tạo New simulation để vẽ dạng sóng thông số điện áp, dòng điện… cách thiết lập profile sau : Chọn chế độ AC Sweep - Tần số bắt đầu :100MEG - Tần số kết thúc : 10G - Chọn thang Logarithmic 2.2 Dạng sóng: a Dòng áp nguồn( source): Page b Dòng điện điện áp tải( load): **Giải thích dạng sóng dòng điện nguồn điện áp, dòng điện tải điện áp: Nhận xét: - Tại tần số cao, điện áp dòng điện nguồn tải gần không đổi Giải thích: - Ta có: = Khi tăng tần số, dung kháng giảm đồng thời kéo theo trở kháng tải giảm xuống thay đổi Zc dẫn đến thay đổi hệ số phản xạ Tải không tiêu thụ toàn công suất từ nguồn mà phần phản hồi đường truyền Do áp tải giảm xuống Bên cạnh đó, ghép tải không phù hợp có mặt sóng phản xạ làm biên độ sóng đường truyền thay đổi theo Ở tần số cao Zc= 0, hệ số phản xạ =0 Vì vậy, điện áp nguồn tải gần không đổi c.Thực tất thao tác sau thông số câu a b: - R() : phần thực - Imag(): phần ảo - phase(): pha - M() : độ lớn • Cho điện áp nguồn (source) : Page • Phần thực, phần ảo, pha, biên độ điện áp nguồn( Vsource) Cho điện áp tải( Vload): Phần thực, phần ảo, pha, biên độ điện áp tải( Vload) 2.3 Dùng “ Toggle Cursor” đánh dấu điểm khác nhau: Page 2.4 Vẽ đồ thị Bode cho Vsource Vload: 2.5 Lặp lại mô cho dãy tần từ 100Khz đến 100MHz Vẽ đồ thị Bode cho đầu Page Đồ thị Bode điện áp nguồn tải cho dãy tần số từ 100kHz đến 100MHz Trong mạng thụ động, điện áp tải lớn điện áp nguồn.? Trả lời : Điện áp tải cao so với điện áp nguồn số điểm tần số cao với số điểm tần số thấp tác động đường truyền, tần số thấp tác động không đáng kể tần số cao cần xét đến tác động đường truyền Vì đường truyền tác động đến mạch điện: Sự có mặt tín hiệu phản xạ từ tải trở nguồn Vì tín hiệu phản xạ xuất nguyên nhân dẫn đến điện áp tải lớn điện áp nguồn số tần số cao 1.2.6 Thay nguồn VAC nguồn sin VSIN.( chọn giá trị thích hợp cho biên độ tần số, cài đặt Offset 0) Với f=0.5GHz T= = = 2ns Với số chu kỳ sóng yêu cầu chu kì thời gian thực mô t=5*2ns = 10ns; Ta thiết lập mô phỏng: - Chọn mô dựa vào miền đáp ứng thời gian -Thời gian thực 10ns, liệu 0ns kích thước tối đa 0.01ns Page Dạng sóng nguồn tải cho chu kì sóng *Tại tần số 0.5GHz với giá trị đường truyền ta chọn sóng tải trễ pha 180o Chứng minh: Thời gian trễ đường truyền TD=1ns Thời gian trễ ttrễ =1ns Chu kì tín hiệu Tchu kì =2ns Trễ pha: Өtrễ =(ttrễ/Tchu kì).360o = (1/2).360o = 180o Đồ thị cho thấy trễ pha π (tương ứng với 180 độ) Bởi thời gian trễ đường truyền 1ns tương ứng với 1/2 thời gian chu kỳ tín hiệu Do điện áp tải trễ so với điện áp nguồn 1/2 chu kỳ Bài 2: ĐƯỜNG TRUYỀN CƠ BẢN TRONG MIỀN TẦN SỐ 1.Giới thiệu: - Ở lab này, sử dụng phần mềm SPICE để khảo sát sóng sin đuờng truyền không suy hao - Mục tiêu Lab giúp làm quen với sóng phản xạ từ tải so sánh mô với giá trị tính toán giản đồ Smith 2.Mô hình đường truyền bản: T đường truyền không tổn hao với thông số sau : Z0 trở kháng đặc tính TD thời gian trễ (time delay) ,chính chiều dài đường truyền đơn vị thời gian Gọi : L chiều dài đường truyền, up vận tốc pha sóng đường truyền L=upTD (2.1) Với L’là độ tự cảm đơn vị chiều dài, C’dung kháng đơn vị chiều dài Thì ta có: up = (2.2) Zo = (2.2) 2.2.1 Cáp đồng trục Đối với cáp đồng trục thông thường RG-58, trở kháng đặc tính Z0 = 50 Ω vận tốc pha Up =2 / c (Lưu ý: c = tốc độ ánh sáng m / s) Câu hỏi 1: Đối với đường dây truyền tải vậy, điện cảm điện dung mét bao nhiêu? Từ công thức (2.2) và( 2.3) ta suy ra: Do đó: : suy ra: Đối với loại cáp đồng trục không tổn hao, công thức sau liên quan đến điện cảm L điện dung C với bán kính dây dẫn bên a dây dẫn bên b: Câu hỏi 2: Đối với cáp đồng trục khác nhau, μ = μ0 ε = 3ε0 Tính b/a Z0 = 50 Ω? Trả lời: từ công thức tính L’,C’ ta suy => Page Vì vậy: Câu hỏi 3: Nếu b = mm câu hỏi 2, a bao nhiêu? Trả lời: Nếu b = mm câu hỏi 2, 2.2 Mô đường truyền Sử dụng SPICE, tạo nguồn Thevenin với biên độ điện áp Vôn, trở kháng nguồn 50Ω Dẫn đến đường truyền dạng T, nối với tải 100Ω Chỉnh sửa đường truyền để có trở kháng đặc tính 50Ω Ngoài , tạo nhãn vào tải điểm đầu đuờng truyền để đo điện áp thuận tiện ZG Sơ đồ mạch cho phần 2.2 In p u t T1 ZL Load 50 1Vac 0Vdc 100 Z0 = 50 T D = { d e la y } VG P A RA M E T E RS : 0 d e la y = n s 0 Điều chỉnh độ dài dây dẫn kiểm tra lại mô hình sóng đứng đầu vào bước sóng đầy đủ tần số 200MHz Câu hỏi 4: Ở tần số 200 MHz, với , bước sóng đường truyền bao nhiêu? Trả lời: bước sóng đường truyền tính công thức: TD = Câu hỏi 5: Thời gian trễ kết hợp với λ/16 bao nhiêu? (Với Trả lời: : Thời gian trễ ứng với λ/16 là: L L = up λ ⋅ 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 Minh họa chiều dài đường truyền thay đổi cho phần 2.2 Sử dụng Excel,tạo bảng biên đô điện áp biên độ dòng điện node “Input” “Load” cho chiều dài đường truyền Page Câu hỏi 6: Sử dụng PSPICE, Excel, Matlab để vẽ cường độ điện áp đầu “input” với chiều dài đường truyền Từ giá trị điện áp đồ thị phương trình VSWR = , xác định VSWR, từ VSWR tính |Γ| Trả lời: Từ giá trị điện áp đồ thị dạng sóng phương trình: Vmax = 666.667mV Vmin = 333.333mV V 666.667 mV VSWR − − 1 VSWR = max = =2 | Γ |= = = ≈ 0.3333 Vmin 333.333mV VSWR + + Page Câu hỏi 7: Sử dụng PSPICE, Excel, Matlab để vẽ cường độ dòng điện đầu “input” với chiều dài đường truyền từ giá trị dòng điện đồ thị, xác định VSWR, từ VSWR tính | Γ| Imax = 13.3333mA VSWR − − 1 | Γ |= = = ≈ 0.3333 VSWR + + VSWR = Imin = 6.6667mA I max 13.3333mA = =2 I 6.6667mA Nhận xét: VSWR |Γ| trường hợp giống Câu hỏi 8:Vẽ độ lớn trở kháng với chiều dài đường truyền sử dụng liệu thu thập từ PSPICE Page Biểu diễn phần thực phần ảo trở kháng sử dụng PSPICE Câu hỏi 9: Tính toán trực tiếp Γ VSWR sử dụng phương trình (2.6) (2.7) So sánh lại kết đo câu 6, 8? 1+ Γ Z − Z0 VSWR = Γ= L 1− Γ Z L + Z0 Γ= Trả lời: Z L − Z 100Ω − 50 Ω = = ≈ 0.3333 Z L + Z 100Ω + 50 Ω 3 =2 VSWR = = 1− Γ 1− 1+ Γ 1+ Ta thấy kết tính theo công thức so sánh lại với câu trước giống Câu hỏi 10: Vẽ đồ thị biểu diễn quan hệ cường độ điện áp tải chiều dài đường truyền Page 10 Khi chiều dài đường truyền thay đổi cường độ điện áp tải không thay đổi Công suất nhận tải không thay đổi độ dài đường truyền thay đổi 2.3 Ngắn mạch tải trở kháng tải SPICE công cụ tốt để quét tần số, trực tiếp quét chiều dài đường truyền “electrical length” đường truyền βl 2π 2πf βl = l= l λ up Vì vậy, việc thay đổi chiều dài đuờng truyền từ l đến 10l có tác dụng quét tần số từ 10f đến f Hoặc có cách khác, đuờng truyền λ fo 0.5 λ 0.5fo λ 2fo Câu hỏi 11: Nếu ta có mét cáp đồng trục câu hỏi 4, tần số chiều dài λ/2, 2.5λ bao nhiêu? (chú ý ta không thay đổi chiều dài vật lý đường truyền) Trả lời : Cáp đồng trục câu hỏi có tần số f = 200MHz Vì vậy, có chiều dài 0.5λ 0.5f =0.5x200MHz =100MHz 2.5 f = 2.5 X 200 MHz = 500 Mhz 2.5λ Và có chiều dài Sử dụng 1m chiều dài đường truyền, chỉnh mô SPICE ban, quét trực tiếp tần số từ 0.5λ đến 2.5λ Z G T1 Z L In p u t Load 50 1V ac 0V dc 100 Z = 50 TD = 5ns VG 0 0 Câu hỏi 12: Vẽ dạng sóng điện “input” ứng với chiều dài khác (có thể điều chỉnh thay đổi tần số)? VSWR bao nhiêu? Page 11 Đồ thị phù hợp với đồ thị câu hỏi Tính VSWR: Vmax = 666.667mV V 666.667 mV VSWR = max = =2 Vmin 333.333mV Vmin = 333.333mV Thay tải 25 Ω cho tải 100 Ω Câu hỏi 14: Vẽ dạng sóng biên độ điện áp vào Từ biểu đồ dạng sóng, Tính VSWR Từ phương trình (2.6) (2.7) Tính VSWR So sánh hai kết quả? R G In p u t T1 Load 50 Z0 = 50 TD = 5ns 1Vac 0Vdc VG Z L 25 0 Tính VSWR: Vmax = 666.667mV Vmin = 333.333mV V 666.667 mV VSWR = max = =2 Vmin 333.333mV VSWR cho trường hợp 100Ω 25Ω Thay tải 0,001 Ω, giống ngắn mạch tải Page 12 Câu hỏi 14: Vẽ dạng sóng biên độ điện áp vào Từ biểu đồ dạng sóng, Tính VSWR Từ phương trình (2.6) (2.7) Tính VSWR So sánh hai kết quả? Tính VSWR: VSWR = + Từ đồ thị: Vmax = 1V Vmin = 0V Vmax 1V = =∞ Vmin 0V + Từ công thức (2.6) and (2.7): |Γ| = = VSWR= =∞ Ta thấy hai kết tính Thay tải mega ohm Câu hỏi 15: Vẽ cường độ điện áp vào Từ đồ thị, tính VSWR Từ phương trình (2.6) (2.7) Tính VSWR So sánh hai kết quả? Tính VSWR: V 1V VSWR = max = =∞ Vmin 0V Từ đồ thị: Vmax = 1V Vmin = 0V 10 |Γ| = = = VSWR= =∞ Hai VSWR câu 14 15 Đồ thị vẽ câu 14,15 giống biên độ tần số dịch 50MHz Bài 3: 3.1 Giới thiệu: QUÁ ĐỘ TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN Page 13 Chúng ta tìm hiểu đường truyền tác động nguồn sin Với kiến thức có, cho phép ta thiết kế mạch đơn giản Trong thí nghiệm tìm hiểu lan truyền độ đường truyền với hỗ trợ phần mềm SPICE 3.2 Tải trở: 3.2.1 Hàm bước nhảy, phối hợp trở kháng tải Trước tiên, tạo đường truyền có trở kháng 50Ω với tổng chiều dài (thời gian trễ) 25ns, cung cấp cho nguồn Thevenin 10u(t) có trở kháng nguồn Rg=50 Trở kháng tải RL=50Ω,sau chạy mô Câu hỏi 1: Vẽ điện áp điểm đầu cuối đường truyền khoảng thời gian t = 50 ns Giải thích: Hệ số phản xạ nguồn là: R g − Z 50 − 50 Γg = = =0 R g + Z 50 + 50 Hệ số phản xạ tải là: Vậy sóng phản xạ điện áp nguồn tải Vg Z L 10.50 VL = = = 5( V ) R g + Z L 50 + 50 VL = (V) sau 25ns (thời gian trễ đường truyền.) Page 14 2.2 Hàm bước nhảy, không phối hợp trở kháng Thay trở kháng tải thành RL=20Ω Câu hỏi 2: Vẽ điện áp điểm đầu cuối đường truyền khoảng thời gian t=0 100ns Giải thích: Hệ số phản xạ nguồn vả tải là: Γg = = ΓL = = V1+ = V t = T = 25ns, sóng phản xạ tải V1- =ΓL.V+1 = -3/7*5= -15/7V Tại điện áp tải tổng hai sóng: V= V1+ +V1- =5-15/7= 2.857V Vì vậy, Page 15 Γg = t = 2T = 50ns, sóng trở lại nguồn , sóng phản xạ biên độ điện áp Tại + V2 = Như vậy, điện áp nguồn là: V =V1++V1-+V2+ =2.857V Tại t = 3T = 75ns, sóng đến tải, ΓL= -3/7 sóng phản xạ với biên độ: V2- =V2+.ΓL=0V Nên điện áp tải V=V1+ +V1+ +V2+ +V2- = 2.857V Tương tự t=4T= 100ns điện áp nguồn V=2.857V 3.2.3 Hàm bước nhảy, không phối hợp trở kháng tải nguồn Thay trở kháng tải 20Ω trở kháng nguồn 200Ω Câu hỏi 3:Vẽ điện áp điểm đầu cuối đường truyền khoảng thời gian t=0 300ns Giải thích: Γg = = ΓL = = V1+ = V Tại t = T , sóng phản xạ tải V1- =ΓL.V+1 = -3/7*2= -6/7V điện áp tải tổng hai sóng: V= V1+ +V1- =2-6/7= 1.1428V Vì vậy, t = 2T , sóng trở lại nguồn ,sóng phản xạ biên độ điện áp V2+ = Γg.V1- = = Như vậy, điện Tại áp nguồn là: V =V1++V1-+V2+ =2-6/7-18/35 = 0.6286V Tại t =3T, sóng đến tải, ΓL= -3/7 sóng phản ánh với biên độ:V2- =V2+.ΓL= Nên điện áp tải V=V1+ +V1+ +V2+ +V2- = 2-6/7-18/35+54/245= 0.849V Tương tự t=4T điện áp nguồn V=0.981V t=5T điện áp tải V=0.9812V t=6T điện áp nguồn V= 0.89V Page 16 t=7T điện áp tải V= 0.905V t=8T điện áp nguồn V= 0.914V 3.2.4 Xung ngắn Thay đường truyền thành đường truyền nhau, tổng chiều dài 25ns, trở kháng đặc tính Zo=50Ω Sử dụng xung vg(t) = 10(u(t)-u(t-10ns)) Câu hỏi 4: Vẽ dạng sóng điện áp nguồn,điểm giữa,cuối tải đường truyền t = 0…100 ns Giải thích: Γg = = ΓL = = V1+ = V + t=0ns Vs=V1 =2V t=T/2 Vm=V1+=2V t=T VL = V1++ΓL V1+ =(1-3/7).2 = 1.143V t=3T/2 Vm=V1- = -3/7.2= -0.857V t=2T Vi=V1- +V2+ =(ΓL+Γg.ΓL).V1+ = -1.371V Page 17 t=5T/2 Vm =V2+ = -0.514V t=3T VL= V2+ + V2- =(ΓL.Γg+ΓL2.Γg)V1+ = -0.294V t=7T/2 Vm= V2- = ΓL2.Γg.V1+= 0.2204V KL: 12.5ns xung “Ghost” đến tải 2.2.5 Xung dài Ở ta dùng xung ngắn (10ns) so với chiều dài dây dẫn (25ns) Bây kiểm tra với hệ thống phức tạp Câu hỏi : Sử dụng đường truyền trở kháng nguồn, trở kháng tải khác nguồn vg v g = − 10 = +10 V với t = … 20 ns, and V for t = 20 … 40ns Vẽ điện áp nguồn ,điểm ,và tải đường truyềnvới t = 0…100 ns ? Sự chuyển đổi từ cao tới thấp tải có rõ ràng không? Sự chuyển đổi từ “high” xuống “low” tải rõ ràng 3.3 Tải phần tử tích cực Ω Ω Sử dụng nguồn vg(t) = 10u(t), Rg=25 ,đường truyền có Z0=50 TD= 25ns Câu hỏi 6: Đầu cuối tải tụ điện nF vẽ điện áp nguồn cuối tải đường truyền với t = 0…600ns R g T1 V g V s o u rc e V lo a d 25 : Đối với mạch điện dung : Đối với mạch điện cảm Vinitial =0V Vfinal=12.132V Z = 50 TD = 25ns V g C L 1n t=(75-25) =50ns = =41.24ns R= Câu hỏi 7: Thay tụ điện cuộn cảm L=0.25 μH lặp lại câu hỏi Đồ thị Page 18 Vinitial =13.3V Vfinal=0V = =5.06ns R= Page 19 Page 20