báo cáo thí nghiệm siêu cao tần

Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Lab1: PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG MIỀN TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN 1: Giới thiệu: -Sử dụng phần mềm PSPICE để mô mạch phân tích tín hiệu miền tần số thời gian -Sơ đồ mạch sau: -Thực mô mạch theo yêu cầu thí nghiệm 1.2: Vẽ đồ thị: Câu 1.9: Các thông số a Dòng điện áp nguồn b Dòng điện áp tải c thông số phần thực , phần ảo, biên độ pha của: -2- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần -Điện áp nguồn: -3- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Dòng điện nguồn 1.11: Đồ thị Bode điện áp nguồn tải: a Dải tần quét từ: 100MHz tới 10GHz -Đồ thị Bode Vsoure Vload cách vẽ 20*LOG10(điện áp ) -4- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần b Dải tần quét từ:100KHz tới 100MHz 1.12: Trong mạng thụ động điện áp tải lại cao điện áp nguồn? Trảlời: Vì sơ đồ mạch này, tải khơng trờ Thành phần tải Z có gi trị thay đổi theo tần số nên giá trị tổng tải thay đổi theo tần số Điều dẫn tới thay đổi hệ số phản xạ tải Ảnh hưởng tín hiệu phản xạ từ tải nguồn tăng theo tần số nên giá trị điện áp tải cao điện áp nguồn 1.13: Thay nguồn AC nguồn SIN Đồ thị dạng song điện áp nguồn tải chu kì song tần số 0,5GHz f=0,5GHz  T=1/f=1/0.5*10^9=2ns Bài thí nghiệm yêu cầu vẽ đồ thị điện áp nguồn tải chu kì song với tần số 0,5GHz thiết lập thời gian quét từ 0->10ns -5- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần 1.13: Với giá trị đường truyền ta chọn trễ pha độ ? Trảlời: Ta có độ trễ đường truyền 1ns Chu kì tín hiệu 2ns Trễ pha tính theo cơng thức:  Delay  t Delay TPeriod LAB  360  180 ĐƯỜNG TRUYỀN CƠ BẢN TRONG MIỀN TẦN SỐ 1.Giới thiệu: -Nội dung: Sử dụng phần mềm PSPICE mơ truyền sóng sin đường truyền khơng tổn hao -Mục đích: Hiểu rõ q trình phản xạ sóng đường truyền, so sánh kiểm chứng kết mô kết tính tốn theo giản đồ Smith 2.1.Mơ hình đường truyền Có mơ hình đường truyền tổn hao T, xác định vài thông số Chúng ta cần xác định thông số: -Z0: Trở kháng đặc tính -TD: Thời gian trễ, chiều dài đường truyền đơn vị thời gian Chiều dài đường truyền L có mối quan hệ với thời gian trễ thơng qua phương trình sau: L = UpTD (2.1) Với Up vận tốc pha sóng đường truyền Gọi L’ điện cảm đơn vị chiều dài, C’ điện dung đơn vị chiều dài, ta có : (2.2) -6- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần (2.3) 2.1.1 : Cáp đồng trục Cáp đồng trục RG-58, có trở kháng đặc tính Z0 = 50 Ω vận tốc pha up = 2/3c (c tốc độ ánh sáng, c = 3.10^8 m/s) Câu hỏi 1:Đối với đường truyền điện cảm điện dung mét bao nhiêu? Trả lời:Dựa vào cách tính trở kháng đặc tính Z0 vận tốc pha up ta có: Đối với cáp đồng trục có suy hao, công thức sau thể mối quan hệ điện cảm L’ điện dung C’ với bán kính bán kính ngồi dây dẫn: (2.4) (2.5) Câu hỏi 2: Cho cáp đồng trục cóµ=µ0 ε = 3ε0 Tính b/a biết Z0=50Ω Trả lời: Ta có: Suy ra: Vậy tỉ lệ Câu hỏi 3: Trong câu hỏi 2, b = 3mm a ? Trả lời: Từ kết câu hỏi : b/a=4,233 Suy : a = b/4,233=3/4,233 = 0,709(mm) 2.2 : Mô đường truyền Sử dụng phần mềm PSPICE, vẽ sơ đồ mạch hình : -7- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Ta khảo sát vài thông số đường truyền tần số 200Mhz Câu hỏi 4: Ở tần số 200Mhz, vận tốc pha Up=2/3 c độ dài bước sóng đường truyền ? Trả lời : Độ dài bước sóng Câu hỏi 5: Tại độ dài bước sóng λ/16 thời gian trễ TD bao nhiêu? Trả lời: Ta có: Sử dụng PSPICE để mơ đáp ứng đường truyền với độ dài khác nhau, từ 0, λ/16, 2λ/16, …, 15λ/16, λ Ta thấy độ dài đường truyền L tỉ lệ bậc với thời gian trễ TD theo công thức TD  L L  up   f hay L = TD up (để ý trường hợp up số) Do muốn khảo sát hàm Vinput (L) ta khảo sát hàm Vinput ( TD) Dùng Excel lập bảng giá trị điện áp – dòng điện Input Load: Câu hỏi 6: Sử dụng PSPICE, EXCEL, hay matlab để vẽ cường độ dòng điện ‘Input’ với chiều dài đường truyền Từ giá trị điện áp đồ thị phương trình : VSWR= , xác định VSWR, từ VSWR tính || Trả lời: -8- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Chạy mô , để vẽ đồ thị điện áp V input (TD) , chọn Trace / Add trace > V(INPUT) 700mV 600mV 500mV 400mV 300mV V(INPUT) 0.5n 1.0n 1.5n 2.0n 2.5n 3.0n 3.5n 4.0n 4.5n 5.0n delay Dùng Toggle cursor để đánh dấu Vmax Vmin Vmax = 666.667mV Vmin = 333.333mV VSWR  Vmax 666, 667 = = Vmin 333,333 1   Để tính || ta suy từ cơng thức : VSWR   ||= VSWR     1/3 = 0.3333 VSWR   Câu hỏi 7: Sử dụng PSPICE, EXCEL, hay matlab để vẽ cường độ dòng điện ‘Input’ với chiều dài đường truyền Từ giá trị điện áp đồ thị xác định VSWR, từ VSWR tính || VSWR || có giống khơng? Trả lời: Đồ thị bên Iinput theo TD -9- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Dùng Toggle cursor để đánh dấu Imax Imin Imax = 13.333mA Imin = 6.6667mA VSWR  ||= I max 13.333   I 6.6667 VSWR     1/3 = 0.3333 VSWR   Nhận xét: VSWR || tính điện áp (câu hỏi 6) hay dòng điện (câu hỏi 7) kết Câu hỏi 8: Vẽ biên độ trở kháng “Input” với chiều dài đường truyền, sử dụng liệu thu thập từ PSPICE Vẽ phần thực phần ảo trở kháng sử dụng PSPICE Trả lời: - 10 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần - Đồ thị độ lớn trở kháng ngõ vào theo hàm thời gian trễ TD -Đồ thị phần thực trở kháng ngõ vào theo hàm thời gian trễ TD -Đồ thị phần ảo trở kháng ngõ vào theo hàm thời gian trễ TD - 11 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Vậy VSWR hai trường hợp tải 100Ω 25Ω Thử ngắn mạch phía tải cách thay trở kháng tải 0.001 Ω Câu hỏi 14: Vẽ cường độ điện áp “Input” Từ đồ thị xác đinh VSWR Từ phương trình (2.6) và(2.7) tính giá trị VSWR So sánh kết với Thay tải 1MΩ giống hở mạch tải Chú ý ( PSPICE, MEG = “mega”, M = “milli”) Trả lời: Đồ thị độ lớn điện áp Input 1.0V 0.8V 0.6V 0.4V 0.2V 0V 80MHz 120MHz V(INPUT) 160MHz 200MHz 240MHz 280MHz 320MHz 360MHz 400MHz 440MHz 480MHz 520MHz Frequency Từ đồ thị thấy : Vmax = 1V Vmin = 20uV VSWR  Vmax 1V = = 50000 Vmin 20uV Nếu tính theo cơng thức (2.6) (2.7) thì:  Z L  Z 0.001  50   Z L  Z 0.001  50 VSWR  1  1  = 11 � 11 Kết tính theo cơng thức theo đồ thị phù hợp với nhau, có sai số q trình xấp xỉ tính tốn gần Thay tải giá trị MΩ để tạo trường hợp hở mạch Câu hỏi 15: Vẽ cường độ điện áp “Input”.Từ đồ thị, xác định VSWR Tính giá trị VSWR từ phương trình (2.6) (2.7), So sánh kết với Trả lời: Đồ thị độ lớn điện áp Input: - 16 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần 1.0V 0.8V 0.6V 0.4V 0.2V 0V 80MHz 120MHz V(INPUT) 160MHz 200MHz 240MHz 280MHz 320MHz 360MHz 400MHz 440MHz 480MHz 520MHz Frequency Từ đồ thị thấy : Vmax = 1V Vmin = 93uV VSWR  Vmax 1V = = 50000= 10752 Vmin 93uV Nếu tính theo cơng thức (2.6) (2.7) thì: Z L  Z 106  50    0.9999 Z L  Z 106  50 VSWR  1  1  =  0.9999  19999  0.9999 Kết tính VSWR lớn, xem �, chênh lệch trường hợp số điểm hữu hạn đồ thị (đồ thị không liên tục) sai số lấy gần tính tốn Điều quan trọng VSWR có lớn Lab 3: QUÁ ĐỘ TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN 3.1: Giới thiệu - 17 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Trong thí nghiệm trước tập trung tìm hiểu đường truyền khơng tổn hao, thử nghiệm truyền sóng sin Q trình khảo sát thực tế khó phức tạp nhiều, TN số khảo sát q trình truyền với nguồn khơng phải sóng sin, số trường hợp tải không trở 3.2: Tải trở : Dùng PSPICE khảo sát trình lan truyền xung đường truyền nối với tải trở 3.2.1: Hàm bước nhảy,phối hợp trở kháng tải Đầu tiên tạo đường truyền có trở kháng đặc tính Z = 50  , thời gian trễ TD = 25ns, gắn với nguồn Thevenin 10u(t) , điện trở nguồn Rg = 50  Phía tải có trở RL = 50  , chạy mô Chú ý tạo nguồn VPWL, để tạo giá trị 10 u(t) cho nguồn đặt thơng số: V1=0, V2=10, V3=10, V4=0 T1=0, T2=0.001ns, T3=50ns T4=50.001ns Câu hỏi 1: Vẽ điện áp điểm đầu cuối đường truyền tong khoảng thời gian t=0….50 ns Sử dụng hiểu biết “ bounce diagrams” , giải thích đồ thị Trả lời: Đồ thị điện áp nguồn tải: - 18 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Giải thích: Ta tính điện áp tải theo lý thuyết: Xét hệ số phản xạ nguồn tải: g  L  Rg  Z Rg  Z  50  50 0 50  50 RL  Z 50  50  0 RL  Z 50  50 Do khơng có sóng phản xạ nguồn tải, nên điện áp tải là: VL  Vg Z L Rg  Z L  10.50  5( V ) 50  50 D L Sau thời gian trễ lan truyền đường truyền T 25ns V = 5V Kết tính đồ thị mơ hoàn toàn trùng khớp với 3.2.2: Hàm bước nhảy không phối hợp trở kháng: Bây thay đổi điện trở tải thành 20  - 19 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Câu hỏi 2: Vẽ điện áp điểm đầu cuối đường truyền tong khoảng thời gian t= 0….100 ns Sử dụng hiểu biết “ bounce diagrams” , giải thích đồ thị Trả lời: Đồ thị điện áp nguồn tải: Giải thích: Ta tính điện áp tải theo lý thuyết: Xét hệ số phản xạ nguồn tải: g  L  Rg  Z Rg  Z  50  50 0 50  50 RL  Z 20  50   RL  Z 20  50 Điện áp sóng tới vào đường truyền:  Vl  Vg Z Rg  Z  10.50  5( V ) 50  50 - 20 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Tại t = TD = 25ns, sóng lan truyền đến tải z = l, mà hệ số phản xạ tải  L   nên xảy tượng phản xạ sóng, biên độ sóng phản xạ :  Vl  L Vl   15 (V ) Điện áp tải lúc tổng hai sóng: sóng tới sóng phản xạ   V L  Vl  Vl   15 20   2.86( V ) 7 Tại t = 2TD = 50ns, sóng phản xạ lan truyền ngược trở lại nguồn (z = 0), mà hệ số phản xạ sóng nguồn g  , tức khơng có sóng phản xạ lần (từ nguồn phản xạ lần nữa) Do đó, điện áp đường truyền phía nguồn là:   VS  Vl  Vl   15 20   2.86( V ) 7 Do khơng có sóng phản xạ lần 2, nên sau khoảng thời gian trễ nT D VL VS giữ mức 2,86V Vậy sau 2TD = 50ns điện áp đầu đường truyền xác lập 2,86V Quan sát đồ thị thấy kết tính tốn đồ thị hồn tồn phù hợp với nhau, sau 50ns giá trị Vsource Vload trùng 3.2.3: Hàm bước nhảy không phối hợp trở kháng tải nguồn : Bây thay đổi điện trở tải RL=20  , điện trở nguồn Rg=200  Câu hỏi 3: Vẽ điện áp điểm đầu cuối đường truyền tong khoảng thời gian t= 0….300 ns Sử dụng hiểu biết “ bounce diagrams” , giải thích đồ thị Trả lời: - 21 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Đồ thị điện áp nguồn tải: Giải thích: Hệ số phản xạ sóng nguồn tải: g  L  Rg  Z Rg  Z  200  50  0.6 200  50 RL  Z 20  50   RL  Z 20  50 Điện áp sóng tới vào đường truyền (hướng phía tải) Vl   Vg Z Rg  Z  10.50  2(V ) 200  50 Tại t = TD = 25ns, sóng lan truyền đến tải z = l, mà hệ số phản xạ tải  L   nên xảy tượng phản xạ sóng, biên độ sóng phản xạ : Vl    L Vl    (V ) �0,86(V ) Điện áp tải lúc tổng hai sóng: sóng tới sóng phản xạ VL  Vl   Vl     �1,14(V ) 7 Tại t = 2TD = 50ns, sóng phản xạ lan truyền ngược trở lại nguồn (z = 0), mà hệ số   phản xạ sóng nguồn  g  0, , có sóng phản xạ V2  g Vl Điện áp truyên - 22 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần đường truyền phía nguồn lúc là: VS  Vl   Vl   V2   (1   L   L  g ).Vl   0.63(V ) Tại t = 3TD = 75ns, sóng lại lan truyền tới tải lần z = l, hệ số phản xạ  L   �0 , nên lại xảy phản xạ lần Biên độ sóng phản xạ: V2   L V2  Tính VL  0.85(V ) Q trình phản xạ minh họa bởi: Tiếp tục q trình tính toán với t = 4TD , t = 5TD : Với t = 4TD = 100ns: VS = 0,98 (V) VL = 0,85 (V) Với t = 5TD = 125ns VS = 0,98 (V) VL = 0,92 (V) Lần lượt tính với 6TD , 7TD , 8TD , 9TD - 23 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Cho đến t = 10TD = 250ns VS = 0,911 (V) VL = 0,909 (V) Kết tính đồ thị gần khớp với nhau, có sai số nhỏ Giá trị điện áp cuối xác lập: V  Vg Z L Rg  Z  10.20  0.909( V ) 200  20 Thời gian để đạt đến giá trị khoảng 9TD đến 10TD 3.2.4: Xung ngắn Chia đường truyền thành đường truyền nối tiếp, đường truyền có trở kháng đặc tính 50  , thời gian trễ TD phân nửa, 12,5ns Tổng thời gian trễ lúc đảm bảo 25ns Các giá trị điện trở Rg=200  RL=20  Chú ý tạo nguồn Vg lúc xung 10ns, nên phải tạo thông số nguồn VPWL sau: T1=0, V1=0, T2=0.001n, V2=10, T3=10n, V3=10, T4=10.001n, V4=0 Lúc vg(t) = 10(u(t)- u(t-10ns)) Câu hỏi : Vẽ điện áp nguồn, điểm tải đường truyền khoảng thời gian t=0….100 ns Sử dụng Sử dụng hiểu biết “ bounce diagrams” , giải thích đồ thị Mất để xung “ghót” ( xung mà ta thấy điểm đường truyền ) đến tải ? Độ lớn xung “ghost” bao nhiêu? - 24 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Trả lời: - Đồ thị điện áp nguồn, tải trung gian đường truyền Tính hệ số phản xạ: Hệ số phản xạ sóng nguồn: g  Rg  Z Rg  Z  200  50  0.6 200  50 Hệ số phản xạ sóng tải: L  RL  Z 20  50   RL  Z 20  50 Điện áp sóng tới ( vào đường truyền ):  Vl  Vg Z Rg  Z  10.50  2( V ) 200  50 - 25 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần “Bounce diagram” Tương tự tính phần trước, ta có : Với t = 0+ ns : VS = (V) Vm = (V) VL = (V) Với t = TD / = 12,5ns : VS = (V) Vm = (V) VL = (V) Với t = TD = 25ns : VS = (V) Vm = (V) VL = 1,14 (V) Với t = 3TD / = 37,5ns : VS = (V) Vm = -0,86 (V) VL = (V) - 26 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Với t = 2TD = 50 ns : VS = -1,37 (V) Vm = (V) VL = (V) Với t = 5TD / = 62,5ns : VS = (V) Vm = -0,51 (V) VL = (V) Với t = 3TD = 75ns : VS = (V) Vm = (V) VL = -0,29 (V) Với t = 7TD / = 87,5ns : VS = (V) Vm = 0,22 (V) VL = (V) Với t = 4TD = 100ns : VS = (V) Vm = (V) VL = (V) Mất thời gian TD / = 12,5ns để xung “ghost” từ phần trung gian đường truyền đến tải (đó trễ lan truyền đường truyền thứ 2) Độ rộng xung 12,5ns, tính phần tồn xung (khác mức 0V ) 10ns Nhận xét: Kết tính phù hợp với vẽ đồ thị 3.2.5: Xung Dài: - 27 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Trong trường hợp trước, xung phát từ nguồn 10ns, ngắn so với độ trễ đường truyền 25ns Phần xét tới xung dài Câu hỏi 5: Sử dụng đường truyền trở kháng nguồn, trở kháng tải nguồn khác, nguồn mời có vg= +10V khoảng thời gian t= 0… 20 ns, vg= -10V khoảng thời gian t= 20….40 ns Vẽ điện áp nguồn, điểm tải đường truyền khoảng thời gian t= 0….100 ns Sự chuyển đổi từ ‘ hight’ xuống ‘low’ tải có rõ ràng khơng ? Trả lời: Chỉnh lại thông số cho nguồn Vg T1=0, V1=0, T2=0.001n, V2=10 T3=20n, V3=10, T4=20.001n, V4= -10 T5=40n, V5= -10 T6=40.001n, V6=0 Đồ thị điện áp nguồn, tải , trung gian: Từ đồ thị ta thấy có chuyển đổi mức rõ ràng điện áp tải 3.3: Tải phần tử tích cực: Như đề cập phần trước, thong thường tải điểm cuối bus liệu phần tử tích cực (và thường tụ điện) - 28 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Trong phần sơ đồ mạch gồm nguồn điện vg(t) = 10u(t) có trở kháng Rg=25  , đường truyền có trở kháng đặc tính Z0 = 50  , chiều dài 25ns Câu hỏi 6: Đầu cuối đường truyền có tụ điện 1nF Vẽ điện áp đầu đường truyền khoảng thời gian t = 600 ns Nếu thấy trình nạp hay xả, xác định τ R Có thể áp dụng cơng thức sau: Trả lời: Đồ thị điện áp nguồn tải: - 29 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Dùng chức Toggle cursor để đánh dấu điểm max Vload , từ có: Vinitial = 0(V) VFinal = 12,132(V) Đánh dấu thêm điểm đường Vload ( đoạn nạp tụ) Tại 75ns V(t) = 8,40V t = 75ns – 25ns = 50ns áp dụng cơng thức cho để tính thời t : t ln( t V(t )  V final Vinitial  V final  ) 50.109  4.22 �108 8.4  12.132 ln( )  12.132 Tính điện trở R: t 4.22.108 t  RC � R    42.2( ) C 109 - 30 - .. .Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần -Điện áp nguồn: -3- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Dòng điện nguồn 1.11: Đồ thị Bode điện áp nguồn tải: a Dải tần quét từ: 100MHz tới... 13 - 5.0n Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần tần số từ 10f đến f Hay nói cách khác, chiều dài đường truyền λ tần số chiều dài 0.5 λ 0.5 λ Câu hỏi 11: Nếu có 1m cáp đồng trục câu hỏi 4, tần số chiều... ĐỘ TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN 3.1: Giới thiệu - 17 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Trong thí nghiệm trước tập trung tìm hiểu đường truyền khơng tổn hao, thử nghiệm truyền sóng sin Q trình khảo sát thực