Báo cáo thí nghiệm Siêu Cao Tần

BÀI THÍ NGHIỆM 1NGHIÊN CỨU TRƯỜNG ĐIỆN TỪ CƠ BẢN TRONG ỐNG DẪN SÓNG CHỮ NHẬT I.. khi thỏa mãn điều kiện truyền lan thì bước sóng pha trong ống dẫn sóng được tính theo công thức: − Đối vớ

BÀI THÍ NGHIỆM 1

NGHIÊN CỨU TRƯỜNG ĐIỆN TỪ CƠ BẢN TRONG ỐNG DẪN SÓNG CHỮ NHẬT

I Tóm tắt lý thuyết.

1 Điều kiện truyền lan trường cơ bản trong ống dẫn sóng chữ nhật.

− Theo lý thuyết ta có điều kiện để có trường truyền lan trong đường truyền đó là hoặc trong đó và là bước sóng và tần số công tác của máy phát và và là bước sóng và tần số tới hạn khi thỏa mãn điều kiện truyền lan thì bước sóng pha trong ống dẫn sóng được tính theo công thức:

− Đối với ống dẫn sóng chữ nhật thì bước sóng tới hạn của trường cơ bản , và từ phổ các bước sóng tới hạn của các trường trong ống dẫn sóng chữ nhật :

− Ta suy ra điều kiện để truyền lan sóng cơ bản trong ống dẫn sóng chữ nhật là

2 Cấu trúc các thành phần trường của trường cơ bản

− Trường cóCấu t tất cả 3 thành phần có biểu thức như sau:

− Ta có 1 số nhận xét sau:

+ Điện trường chỉ có 1 thành phần dọc theo trục oy do đó nó có dạng phân cực thẳng trong mặt phẳng xOy

+ Biên độ điện trường cực đại tại vị trí , hay tại chính giữa thành rộng bằng 0 tại 2 bên thành hẹp (x=0 và x=a)

+ Từ trường gồm 2 thành phần và lệch pha nhau một góc nên phân cực elip trong mặt phẳng xOz Phân cực này chuyển thành phân cực thẳng hướng theo trục x tại giữa thành rộng (x=a/2) có Hx = Hxmax, Hz =0 Tại hai bên thành hẹp từ trường chuyển thành phân cực thẳng theo hướng trục z (x

=0,a) có: Hx =0, Hz = Hzmax

+ Cả ba thành phần trường đều không phụ thuộc vào tọa độ y nên chúng phân bố đều dọc theo trục Oy

3 Cấu trúc dòng điện mặt của trường cơ bản H10.

Do từ trường có hai thành phần dọc theo hai trục Oz và Ox nên theo lý trường, bên trong thành ống dẫn sóng sẽ xuất hiện các dòng điện mặt tuân theo công thức :

Ở đây là vectơ pháp tuyến của thành ống dẫn sóng Từ công thức trên ta có nhận xét : + 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 = Hx

+Các dòng điện mặt tập trung tại các nút giữa thành rộng cách nhau một khoảng t/2 Tại các nút đối diện nhau trên thành rộng dòng điện được khép kín bởi dòng điện dịch sinh ra do điện trường hướng theo trục Oy

II Mục đích thí nghiệm

Nghiên cứu cấu trúc điện từ trường và dòng điện mặt cùng các đại lượng đặc trưng của sóng

cơ bản truyền lan trong ống dẫn sóng chữ nhật

III Nhiệm vụ của thí nghiệm

Bài thí nghiệm này yêu cầu học viên thực hiện các nhiệm vụ sau:

1 Khảo sát đặc tính truyền lan của sóng cơ bản TE10(H10) qua việc đo bước sóng pha trong ống dẫn sóng chữ nhật

2 Nghiên cứu cấu trúc điện từ trường của sóng cơ bản qua việc xác định phân cực của điện trường với các bộ chấn song kim loại

3 Nghiên cứu cấu trúc dòng điện mặt của sóng cơ bản dựa trên đánh giá mức độ bức xạ của các khe dọc xẻ trên thành rộng và hẹp của ống dẫn sóng chữ nhật

IV Thiết bị thí nghiệm

Hình 1.Sơ đồ thiết bị thí nghiệm bài thí nghiệm 1

1 Nguồn phát các dao động siêu cao tần

2 Đoạn ống dẫn sóng chữ nhật mà thành là các lá kim loại gấp nếp

3 Đồng hồ chỉ thị µA

4 Đoạn ống dẫn sóng chữ nhật có xẻ sẵn hai khe hẹp dọc như nhau (một khe trên thành rộng, một khe trên thành hẹp) và có hai nắp để có thể đóng hoặc mở các khe trên

5 Bộ chấn song bằng các dây đồng dùng để phát hiện phân cực của trường, ghép vào đầu cuối của đường dây đo

6 Tấm ngắn mạch bằng kim loại dùng để tạo sóng đứng

V Nội dung tiến hành thí nghiệm

A Chuẩn bị.

- Vẽ trên giấy kẻ li cấu trúc đường điện từ của sóng cơ bản TE10(H10) trong ống dẫn sóng chữ nhật trên khoảng cách một bước sóng pha λt (vẽ tiết diện ngang dọc)

- Vẽ trên giấy kẻ li cấu trúc dòng điện mặt (trên thành rộng và trên thành hẹp ống dẫn sóng) của sóng cơ bản TE10(H10)

- Viết công thức tính bước sóng pha λt trong ống dẫn sóng qua bước sóng trong không gian tự do λ và bước sóng tới hạn của một dạng sóng truyền lan trong ống dẫn sóng chữ nhật

- Nghiên cứu mục “đường dây đo” (mục b - 3 - 13 trang 177) giáo trình Cơ sở kỹ thuật siêu cao tần.

B Các bước thực hiện thí nghiệm.

1. Đo kích thước độ rộng a và chiều cao b phía bên trong ống dẫn sóng chữ nhật thí nghiệm

Từ đó dựa trên điều kiện trong ống dẫn sóng chữ nhật chỉ truyền lan một dạng sóng cơ bản TE10(H10) mà xác định khoảng tần số công tác thích hợp của máy phát

2. Điều chỉnh máy phát sao cho ở một tần số xác định máy cho công suất ra lớn nhất (Bước này theo hướng dẫn cụ thể của cán bộ hướng dẫn thí nghiệm)

3. Đo bước sóng pha λt

- Lắp tải ống dẫn sóng hoặc tấm ngắn mạch vào đầu cuối đường dây đo (như hình 1)

- Dịch chuyển đầu tách sóng cùng que dò dọc theo đường dây đo (vặn một cơ cấu cơ khí lắp ở đường dây đo) Khi đó nhìn trên đồng hồ chỉ thị µA chúng ta sẽ xác định được các vị trí của que dò (được khắc độ bằng thước trên đường dây đo) cho chỉ thị giá trị cực tiểu và cực đại liên tiếp nhau Bước sóng pha λt được xác định theo công thức:

λt = 4Zmin - Zmax

Ở đây Zmin, Zmax là hai vị trí cực tiểu và cực đại liên tiếp nhau của que dò dịch chuyển trên dây đo

Kết quả đo được ghi vào bảng sau:

Nhận xét:

Ban đầu ta có λ = 3cm

Từ bảng trên và công thức tổng quát

2

1









−

=

th

t

λ λ

λ λ

ta suy ra được λ<λth

Do đó : trường H10 là trường truyền lan

4. Xác định phân cực của trường

- Tháo tấm ngắn mạch 7 ra khỏi cuối đường dây đo

- Đặt lần lượt các bộ chấn song kim loại 6 vào cuối đường dây đo

- Dịch chuyển que dò dọc theo đường dây đo, xác định hệ số sóng đứng Kd trong từng trường hợp ứng với chấn song đứng, ngang theo đồng hồ chỉ thị bằng công thức:

min

max

I

I

K d =

Ở đây Imax, Imin là giá trị cực đại và cực tiểu của đồng hồ chỉ thị µA

- Đánh giá môđun của hệ số phản xạ ứng với các trường hợp trên theo công thức:

1

1

+

−

=

d

d

K

K R

+ Với chấn song đứng:

KdTB

+ Với chấn song ngang:

Nhận xét :

- Từ hai bảng trên ta thấy, hệ số sóng đứng đối với chấn song đứng lớn hơn so với chấn song ngang vì với chấn song đứng sóng bị phản xạ nhiều hơn so với của chấn song ngang

- Từ công thức

1

1

+

−

=

d

d

K

K R

ta tính được hệ số phản xạ trong từng trường hợp : nhận thấy hệ số phản xạ đối với chấn song đứng lớn hơn với chấn xong ngang vì do cấu trúc trường bên trong lòng đường dây đo dạng chữ nhật thành phần từ trường H trong trường hợp lắp chấn song ngang sẽ bị bức xạ ra ngoài làm cho hệ số phản xạ nhỏ Tương tự với trường hợp chấn song đứng từ trường H sẽ bị các chấn song cản lại mà không bức xạ được ra ngoài, làm cho hệ số phản xạ lớn hơn trường hợp lắp chấn song ngang

- cấu trúc trường của H10 :

- Vậy thực nghiệm đúng với lý thuyết

5 Đánh giá sự bức xạ của các khe dọc.

- Lắp đoạn ống dẫn sóng có xẻ khe dọc 5 vào cuối đường dây đo

- Lần lượt đóng khe trên thành rộng và trên thành hẹp Đo hệ số sóng đứng bằng đường dây đo cho từng trường hợp các khe Từ đó đánh giá được môđun của hệ số phản xạ của chúng hay khả năng bức xạ của các khe Từ đó giải thích hiện tượng bằng cấu trúc dòng điện mặt của sóng cơ bản H10

Kết quả đo được ghi vào bảng sau:

+ Khi hở khe thành rộng:

+ Khi hở khe thành hẹp:

1 18 3 2.45 0.42

Nhận xét:

Đối với thành rộng, hệ số phản xạ lớn hơn so với khi hở khe thành hẹp

Vì : từ trường tổng hợp H phân bố đều và song song với thành rộng (hay vuông góc với thành hẹp) nên :

- khi cắt thành rộng thì từ trường H thoát ra ngoài ít (bức xạ nhỏ ) => hệ số phản xạ lớn

- Còn khi cắt thành hẹp thì từ trường tổng hợp H thoát ra ngoài nhiều (hay bức xạ lớn)=> hệ số phản xạ nhỏ

BÀI THÍ NGHIỆM 2

ĐO ĐỘ PHẨM CHẤT CỦA HỘP CỘNG HƯỞNG.

I Mục đích thí nghiệm

Nghiên cứu các phương pháp thực nghiệm để đo độ phẩm chất của hộp cộng hưởng siêu cao tần và so sánh đánh giá các phương pháp đo trên

II Nhiệm vụ thí nghiệm

Toàn bộ thí nghiệm này yêu cầu học viên thực hiện các nhiệm vụ sau:

1 Đo độ phẩm chất của hộp cộng hưởng siêu cao tần từ đoạn ống dẫn sóng chữ nhật bằng phương pháp mạng bốn cực

2 Đo độ phẩm chất của hộp cộng hưởng siêu cao tần từ đoạn ống dẫn sóng chữ nhật bằng phương pháp mạng hai cực

III Thiết bị thí nghiệm

Các thiết bị thí nghiệm bao gồm (hình 5)

Hình 5 Sơ đồ thí nghiệm đo độ phẩm chất hộp cộng hưởng

1 Máy phát dao động siêu cao tần

2 Đoạn ống dẫn sóng mềm

3 Đường dây đo dùng ống dẫn sóng chữ nhật, cả ba thiết bị trên đã được dùng và nói kỹ trong bài thí nghiệm số 1

4 Hộp cộng hưởng dùng để đo độ phẩm chất là một đoạn ống dẫn sóng chữ nhật được tạo ra từ chỗ ghép que dò đến đoạn ống dẫn sóng có pít tông ngắn mạch với chiều dài L

5 Bộ chỉ thị dùng sóng kế để phát hiện cộng hưởng và vẽ đường cong cộng hưởng khi lệch cộng hưởng

6 Đoạn ống dẫn sóng chữ nhật một đầu có lắp pít tông ngắn mạch để dịch chuyển thay đổi độ dài L của hộp cộng hưởng với du xích độ chính xác tới 0,01 mm

Sơ đồ tương đương có dạng hình 2 và sơ đồ nguồn dòng hình 3

Hình 2.Sơ đồ tương đương mạch điện đo độ phẩm chất

Hình 3.Sơ đồ tương đương dạng nguồn dòng mạch điện đo độ phẩm chất

Ở đây:

Gp - dẫn nạp nội của máy phát

6

Gd - dẫn nạp sóng của đường dây

Go - dẫn nạp của hộp khi cộng hưởng

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

Từ hình ta có: I =Y.U

Trong đó:

) 1

( iQ tγ

G iB G

Y = + = +

u o

d G G G

G= + +

G

c

t

ω

=

o

o

f f

f f

γ

Để xác định

t

Q

chúng ta cần đo sự phụ thuộc U(f) hoặc U(fo) khi Io = const Từ đó xác định được tỷ số:

th

o th

f

f

∆

=

2

γ

Ở đây 2∆fth là dải thông của mạch dao động ở mức 0,7 so với giá trị cực đại

Độ phẩm chất tải của hộp được tính:

th

o

t f

f Q

∆

=

2

Nếu tách sóng ở chế độ bậc hai thì giải thông tính ở mức 0,5 giá trị cực đại

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

- Đo bước sóng pha λt thực hiện bằng đường dây đo như ở bài thí nghiệm số 1

- Bước sóng λ xác định qua máy phát hoặc tính qua công thức:

2 2

2









 +

=













a

t

λ λ

Độ phẩm chất :

L

L

t

∆













=

2

2

λ λ

- Độ phẩm chất của hộp cộng thưởng đặc trưng cho khả năng duy trì dao động tự do trong hộp, dải thông của hộp (đánh giá khả năng chọn lọc của máy thu)

a: kích thước chiều rộng bên trong ống dẫn sóng chữ nhật.

Kết quả đo được ghi vào bảng sau:

Rút ra kết luận

Nhận xét: độ rộng dải thông tỉ lệ nghịch với độ phẩm chất, dải thông càng hẹp độ tin cậy càng

cao.BÀI THÍ NGHIỆM 3

ĐO CÁC THAM SỐ CỦA MỘT SỐ PHẦN TỬ

TUYẾN SIÊU CAO TẦN

I Mục đích thí nghiệm

Biết cách đo đạc các tham số điện của một số phần tử tuyến siêu cao tần trên ống dẫn sóng chữ nhật như: bộ ghép định hướng, bộ cầu T kép, tải ống dẫn sóng

II Nhiệm vụ

Bài thí nghiệm yêu cầu phải hoàn thành các nhiệm vụ sau:

1 Đo hệ số ghép (phân mạch) C; hệ số định hướng D của bộ ghép định hướng trên hai lỗ tròn trên thành rộng chung đặt vuông góc

2 Đo các hệ số truyền, cách ly, phản xạ (các yếu tố của ma trận tán xạ [S] tại các nhánh của

bộ cầu T kép được phối hợp trở kháng)

3 Tiến hành xác định trở tải của tải ống dẫn sóng và giải bài toán phối hợp trở kháng dùng một phần tử kháng thuần là một que dò

 Bộ ghép định hướng

Hình 3.1.Sơ đồ 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 λt/4

- Nguyên tắc hoạt động: khi sóng H10 truyền vào nhánh (1) của bộ ghép thì năng lượng sóng chủ yếu sang nhánh (3), khi qua hai lỗ ghép A và B thì một phần năng lượng được ghép qua nhánh (4) còn nhánh (2) 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 ở nhánh ghép tính theo đơn vị decibel:

4

1

log 20

b

a

C =

(dB)

- 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

4

log 20

b

b

D =

(dB)

 Cầu T kép

Hình 3.2.Sơ đồ 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 dạng H có chung mặt phẳng đối xứng

- Nguyên 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 tại hai nhánh (1) và (2) sẽ có sóng ra đồng biên và ngược pha nhau và nhánh (4) (nhánh H) không có sóng ra Nếu ta truyền sóng H10 vào nhánh 4 (nhánh H) thì tại hai nhánh (1) và (2) có sóng ra đồng biên, đồng pha và không có sóng ra ở nhánh 3 (nhánh E) Tức là hai nhánh E và H cách ly điện 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:

j

i

P

S =10log

(dB); i = 1, 2; j = 3, 4

- Hệ số cách ly: hệ số cách ly giữa các nhánh được định nghĩa là tỷ số công suất giữa các nhánh cách ly (1 và 2; 3 và 4) tính theo đơn vị decibel:

2

1 21

P

P S

S = =

(dB);

4

3 43

P

P S

S = =

(dB)

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

- Sơ đồ đo như hình sau

Hình 3.5 Sơ đồ thí nghiệm đo các tham số của bộ ghép định hướng

- Để mức suy giảm của bộ suy giảm chuẩn lên cỡ 35 - 40 dB để cho công suất ra nhỏ nhất Mắc đầu tách sóng có đồng hồ chỉ thị vào đầu ra của ống dẫn sóng thành mềm 2 Điều chỉnh bộ suy giảm chuẩn để cho kim đồng hồ của bộ chỉ thị ở vị trí dễ đọc nhất, đánh dấu vị trí đó, ghi nhận mức suy giảm trên bộ suy giảm chuẩn là L1

- Mắc bộ ghép định hướng cho nhánh (1) mắc với đầu ra ống dẫn sóng mềm, nhánh (4) lắp với đầu tách sóng có chỉ thị, các nhánh còn lại (2) và (3) lắp tải phối hợp Sau đó giảm dần giá trị

bộ suy giảm của máy phát (tức tăng công suất ra) cho đến khi kim của bộ chỉ thị đầu tách sóng chỉ đúng về giá trị cũ đã đánh dấu Ghi nhận mức suy giảm của bộ suy giảm là L2 Hệ số ghép C sẽ được xác định theo:

C = (L1 – L2) dB

- Bây giờ các nhánh (1) và (3) vẫn giữ nguyên, ta chỉ đổi đầu tách sóng và chỉ thị sang nhánh (2) còn tải phối hợp sang nhánh (4) để đo hệ số định hướng D Ta tiếp tục giảm giá trị của bộ suy giảm máy phát cho đến khi kim của bộ chỉ thị tách sóng chỉ đúng vị trí cũ

đã đánh dấu, ghi nhận giá trị L3 trên bộ suy giảm chuẩn Ta có hệ số định hướng D xác định theo:

D = (L2 – L3) dB Kết quả đo được điền vào bảng sau:

Nhận xét :

Từ kết quả đo nhận thấy khi truyền sóng H10 vào đầu 1 thì có sóng ra ở đầu 3 và có một phần rất nhỏ ra ở 4 (vì nhỏ nên hầu như không đo được)

 Chứng tỏ bộ ghép định hướng trong thực tế có tính chất định hướng đúng như lý thuyết

2 Đo các tham số của bộ cầu T kép

a Đo hệ số truyền giữa các nhánh dẫn điện của cầu T kép: S1E, S1H, S2E, S2H

- Sơ đồ đo như hình 9

- Cho máy phát làm việc ở tần số f đã xác định thích hợp với cầu T kép

- Tăng mức suy giảm của bộ suy giảm chuẩn của máy phát lên mức lớn nhất (cỡ 40

-50 dB), lắp đầu tách sóng có chỉ thị vào đầu ra ống dẫn sóng mềm sau đó điều chỉnh bộ suy giảm để nhận được vị trí dễ đọc nhất trên đồng hồ chỉ thị, đánh dấu vị trí này Ghi nhận mức suy giảm là L1

- Lắp cầu T kép theo sơ đồ hình 9

Hình 3.6 Sơ đồ thí nghiệm đo các tham số cầu T kép

Trong đó nhánh (1) lắp với đầu ống sóng mềm 2, nhánh (E) lắp với đầu tách sóng có bộ chỉ thị.Các nhánh còn lại (2) và (H) lắp với tải phối hợp Ta giảm dần giá trị của bộ suy giảm

để cho kim của bộ chỉ thị tăng dần về vị trí cũ đã đánh dấu, ghi trị số của bộ suy giảm là L2

Hệ số truyền giữa nhánh (1) và (E) được xác định như sau:

S1E = (L1 – L2) dB Bây giờ ta đổi đầu tách sóng có chỉ thị sang lắp vào nhánh (H) còn tải phối hợp lắp vào nhánh (E) Rồi điều chỉnh bộ suy giảm để đạt được vị trí đã đánh dấu của bộ chỉ thị.Ghi nhận giá trị suy giảm L’2 Ta có hệ số truyền giữa nhánh (1) và nhánh (H) là:

S1H = (L1 – L’2) dB

- Việc đo hệ số truyền giữa nhánh (2) và các nhánh (E), (H) cũng tiến hành tương tự như với nhánh (1) Ta chỉ việc đổi vị trí mắc trong sơ đồ hình 10 giữa các nhánh (1) và (2) Ta sẽ xác định được các hệ số truyền tương ứng là S2E, S2H

b Đo hệ số cách ly giữa các nhánh (1) với (2) và nhánh (E) với (H).

Ta cũng làm tương tự như khi đo các hệ số truyền Ta cũng lắp trực tiếp đầu tách sóng vào đầu ra ống sóng mềm để ghi được giá trị suy giảm L1

- Khi đó hệ số cách ly giữa nhánh (1) với (2) ta lắp nhánh (1) vào đầu ống sóng mềm, nhánh (2) với đầu tách sóng chỉ thị, các nhánh (E), (H) lắp tải phối hợp Rồi cũng giảm dần