Hình 2.7 chỉ ra đồ thị bức xạ anten đo đƣợc trong cả 2 trƣờng hợp kết nối và không kết nối kênh đa đƣờng. Tín hiệu đa đƣờng bị sai lệch nghiêm trọng so với đồ thị bức xạ anten chuẩn trong phép đo này.
Hình 2.7. Đồ thị bức xạ anten trong trường hợp có và không có lỗi đa đường
Tăng íc h tƣơ ng đ ối (dB ) Đồ thị bức xạ khi có tín hiệu đa đƣờng Đồ thị bức xạ khi không có tín hiệu đa đƣờng 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -60 -40 -20 0 20 40 60 Góc phƣơng vị (độ) Σ Trễ Máy thu Nguồn RF
có và không có lỗi đa đường
Hình 2.8. Các đáp ứng dữ liệu miền thời gian tại 00 trong trường hợp có và không có tín hiệu đa đường và đáp ứng khi sử dụng bộ lọc phần mềm.
Hình 2.8 chỉ ra đáp ứng miền thời gian tại vị trí 00 (góc phƣơng vị = 00). Độ rộng dải đo là 4GHz (6 đến 10 GHz) sử dụng 81 tần số. Dải alias-free là 20nS. Tín hiệu đa đƣờng gây sai lệch đồ thị bức xạ đo đƣợc xác định một cách rõ ràng. Đáp ứng này bị lọc bỏ với bộ lọc phần mềm sau khi phép đo hoàn tất.
Hình 2.9. So sánh đồ thị bức xạ trong trường hợp không có tín hiệu đa đường và trường hợp có tín hiệu đa đường nhưng có sử dụng bộ lọc phần mềm
-60 -40 -20 0 20 40 60 Sử dụng bộ lọc phần mềm với trƣờng hợp có tín hiệu đa đƣờng Bức xạ anten trong trƣờng hợp không có tín hiệu đa đƣờng 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 T ăn g ích tƣơ n g đ ối () dB Góc phƣơng vị (độ) -10 -20 -30 Tăng íc h (dB ) -15 -10 -5 0 5 Góc phƣơng vị (độ) Đáp ứng AUT Dữ liệu chƣa đƣợc lọc khi có tín hiệu đa đƣờng
Dữ liệu chƣa đƣợc lọc khi không có tín hiệu đa đƣờng -40 -50 -60 -70 Dữ liệu đa đƣờng đã đƣợc lọc
Đƣờng kẻ đậm trong hình 2.8 chỉ ra đáp ứng miền thời gian trong một ứng dụng của bộ lọc phần mềm, bắt đầu tại -10 nS và kết thúc tại -4 nS (các điểm -6 dB).
Dữ liệu mẫu đƣợc biểu diễn bằng đồ thị thông qua góc phƣơng vị sau khi đi qua bộ lọc. Đồ thị bức xạ trong trƣờng hợp đã qua bộ lọc đƣợc chỉ ra trong hình 2.9 cùng với đồ thị bức xạ gốc trong trƣờng hợp không có đa đƣờng. Hai đồ thị khá gần nhau mặc dù xuất hiện thành phần đa đƣờng khá mạnh trong phép đo đồ thị bức xạ nguồn không qua bộ lọc.
CHƢƠNG 3
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO LƢỜNG TỰ ĐỘNG ĐẶC TRƢNG BỨC XẠ CỦA ANTEN
Theo các cơ sở lý thuyết đã trình bày trong các chƣơng trƣớc, hệ thống đo lƣờng anten đƣợc cấu thành từ nhiều bộ phận thiết bị khác nhau. Trong đó các bộ thu phát siêu cao tần đóng vai trò rất quan trọng. Việc chế tạo các bộ thu phát, đặc biệt với các anten có tần số hoạt động khác nhau là rất tốn kém và phức tạp. Để xây dựng hệ thống đo lƣờng anten có hiệu quả cao ta sử dụng máy phân tích mạng bởi nó có các tính năng đo đạc và xử lý rất mạnh.
3.1. Nguyên lý.
Tại Phòng thí nghiệm Anten, khoa Điện tử - Viễn thông, Trƣờng Đại học Công nghệ, hệ thống đo lƣờng anten đƣợc xây dựng sử dụng máy phân tích mạng R3765CG của Advantest. Mô hình hệ thống đáp ứng đƣợc các yêu cầu đòi hỏi của phép đo trƣờng xa của các anten có tần số công tác nằm trong dải tần máy phân tích mạng (300kHz tới 3.8GHz).
Biên độ hàm truyền của hệ thống anten có thể thu đƣợc bằng cách đo tham số S21 trên hai cổng của máy phân tích mạng. Hệ thống đo lƣờng sẽ hoạt động nhƣ sau:
Trƣớc hết, tham số băng tần hoạt động, trở kháng vào của AUT sẽ đƣợc xác định bằng cách đo tổn hao phản xạ tại đầu vào của anten. Trên cơ sở băng tần hoạt động của anten, ta sẽ chọn tần số mà tại đó ta thực hiện đo giản đồ hƣớng của anten. Tiếp đến, AUT và anten phát sẽ đƣợc gắn vào hai cổng của máy phân tích mạng. Công suất phát có thể thay đổi từ -10dBm cho tới +10dBm. Giá trị S12 (với anten phát gắn vào cổng 2) của ma trận tán xạ đƣợc ghi lại ứng với mỗi góc quay của AUT trong các mặt phẳng E và H, từ đó cho phép hiển thị giản đồ bức xạ của anten đó. Việc điều khiển góc quay của AUT đƣợc thực hiện nhờ một motor bƣớc.
Hình 3.1.Sơ đồ hệ thống đo lường anten.
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống đo lường anten
Hình 3.2. Sơ đồ ghép nối anten với máy phân tích mạng.
Để đảm bảo tính chính xác trong mô hình đo đạc, trƣớc khi thực hiện các phép đo, cần phải thực hiện hiệu chỉnh các thông số của cáp nối cũng nhƣ các connector dùng để gắn các anten với các cổng máy phân tích mạng. Các khâu kiểm tra giá trị hiệu chỉnh cũng nhƣ chuyển đổi qua lại giữa các chế độ đo đạc (S11 và S12) đƣợc thực hiện một cách tự động trên phần mềm điều khiển hệ thống.
AUT
Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán thực hiện một phép đo anten.
Bắt đầu
Hiệu chỉnh một cổng của máy phân tích mạng ứng với cáp và connector ghép nối với AUT
Gắn AUT với cổng đã hiệu chỉnh và đo hệ số S11 để xác định các tham số: Trở kháng vào, băng tần
Nhập giá trị tần số trong băng tần của AUT để đo giản đồ phƣơng hƣớng
Hiệu chỉnh hai cổng của máy phân tích mạng ứng với cáp và connector ghép nối với AUT và anten phát
Gắn AUT và anten phát với hai cổng đã hiệu chỉnh. Gắn AUT trên bộ điều khiển quay. Đặt hƣớng của AUT và anten phát phù hợp với mặt phẳng cần đo. Đặt góc quay bằng 0
Quay AUT một góc. Xác định giá trị S12 và biểu diễn trên giản đồ. Tăng giá trị góc
Góc quay = 36000
Lƣu lại dƣới dạng mặt phẳng E hoặc H
3.2. Xây dựng hệ thống.
3.2.1. Bộ định vị anten.
Bộ định vị anten đƣợc xây dựng từ một motor bƣớc cùng với mạch điều khiển đƣợc kết nối với máy tính thông qua cổng song song LPT.
3.2.1.1. Motor bước.
Nguyên lý của motor bƣớc rất đơn giản, ở đó, từ thông biến đổi qua cuộn dây sẽ sinh ra lực từ làm quay trục của motor. Motor bƣớc thực hiện việc chuyển các xung điện thành bƣớc dịch chuyển rời rạc. Chiều quay và góc quay của motor bƣớc có quan hệ mật thiết với các xung điện đặt vào. Tốc độ của motor có quan hệ với tần số của các xung điện và góc quay phụ thuộc vào số xung đặt vào.
Tốc độ của motor bƣớc không phụ thuộc vào tải, đó là một đặc tính rất quý trong việc sử dụng chúng cho các hệ thống đo lƣờng anten, khi mà trọng lƣợng của các AUT cùng với bộ phận điều khiển quay khác có thể rất lớn. Khi ấy, góc quay của bộ định vị cũng nhƣ các kết quả đo đạc đƣợc là có thể tin cậy.
Hình 3.4 chỉ ra mặt cắt ngang của rotor và stator trong một motor bƣớc. Từ hình vẽ này ta có thể thấy rằng stator có 4 cực, rotor có 6 cực (ba mẩu nam châm). Rotor sẽ cần có 12 xung điện để chạy 12 bƣớc trong một vòng. Nói cách khác, rotor sẽ dịch chuyển đúng300với mỗi xung điện đặt vào. Số độ quay có thể tính đƣợc bằng cách chia số độ trong một vòng quay (3600) cho số cực (nam và bắc) của rotor (12).
Khi không có dòng điện chạy qua, từ trƣờng tích luỹ trong nam châm của rotor sẽ làm cho các cực của nó thẳng góc với các cực của một trong các nam châm của stator. Khi ấy, lực từ này đủ để giữ cho trục của nam châm không bị quay đi.
Hình 3.4. Sơ đồ vị trí rotor 6 cực và stator 4 cực của một motor bước thông thường. của một motor bước thông thường.
N S N N N S S S 2B 1A 2A 1B
Hình 3.5. Chuyển động của rotor khi xung điện đặt vào stator
a) Dòng đặt vào cuộn trên và dưới, khi đó cuộn dây phía trên là cực bắc b) Dòng đặt vào cuộn trái và phải, khi đó cuộn dây bên trái là cực bắc c) Dòng đặt vào cuộn trên và dưới, khi đó cuộn dây bên dưới là cực bắc d) Dòng đặt vào cuộn trái và phải, khi đó cuộn dây bên phải là cực bắc
Khi dòng điện chạy qua, nó sẽ kích hoạt một trong hai cặp cuộn dây của stator, biến cặp dây đó thành một nam châm. Khi đó một cuộn dây của cặp sẽ là cực bắc và nó sẽ hút cực ngƣợc dấu gần nhất của rotor, tƣơng tự nhƣ vậy với cuộn dây kia. Bằng cách thay đổi dòng điện tới cuộn dây tiếp theo của stator, từ trƣờng sẽ thay đổi 900. Rotor sẽ chỉ di chuyển 300vì từ trƣờng của nó sẽ lại thẳng góc với trƣờng đã thay đổi trong stator. Từ trƣờng trong cuộn stator thay đổi liên tục khi rotor dịch chuyển 12 bƣớc và đạt đƣợc góc quay tổng cộng 3600. Hình 3.5 thể hiện sự thay đổi vị trí của rotor khi dòng điện đặt vào stator thay đổi.
Trong hình 3.5a, ta có thể thấy rằng khi dòng đặt vào cuộn trên và dƣới của stator thì chúng sẽ trở thành một nam châm với cuộn dây ở trên là cực bắc và cuộn dây phía dƣới là cực nam. N S N N N S S S N N N S N S S S N N N S N S S S N N N S N S S S (a) (b) (c) (d)
Các mode điều khiển motor bƣớc bao gồm: 1 pha, 2 pha, 1-2 pha và vi bƣớc Trong mode điều khiển 1 pha, chỉ có một cuộn dây đƣợc tích trữ năng lƣợng tại một thời điểm. Stator sẽ đƣợc cấp điện theo thứ tự A -> B -> A -> B và rotor sẽ quay theo các vị trí 8 -> 2 -> 4 -> 6.
Bảng 3.1. Sơ đồ kích thích pha trong các chế độ của motor bƣớc.
Trong mode hai pha, ta kích thích hai pha cùng lúc. Stator đƣợc kích thích theo thứ tự AB → AB → AB → AB và rotor sẽ quay thep thứ tự 1 ->3 ->5 -> 7. Mode điều khiển 1- 2 pha kết hợp cả hai mode nói trên. Trong đó stator đƣợc kích tích theo thứ tự AB → B →
AB → A → AB → B → AB → A và rotor quay theo thứ tự 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 ->6 -> 7 -> 8. Kết quả là góc quay bằng một nửa góc quay trong hai mode 1- và 2- pha.
Trong mode vi bƣớc, dòng trong các cuộn dây biến đổi liên tục, do đó một bƣớc thông thƣờng sẽ đƣợc chia thành nhiều bƣớc rời rạc có góc quay nhỏ hơn.
3.2.1.2. Điều khiển bộ định vị với cổng song song.
Một cổng giao tiếp là tập hợp các tín hiệu mà CPU gửi và nhận dữ liệu với các thiết bị. Ta sử dụng các cổng để giao tiếp với modem, máy in, bàn phím, chuột… Một cổng song song có thể gửi 8 bit và nhận 5 bit cùng một lúc trong khi đó cổng nối tiếp RS- 232 chỉ gửi và nhận đƣợc 1 bit tại một thời điểm.
Hình 3.7. Cấu hình cổng song song
a) Các cổng dữ liệu:
Các cổng dữ liệu đƣợc xác định từ D0 to D7.
b) Các cổng trạng thái
Các cổng này đƣợc dùng để đọc các tín hiệu. Trên sơ đồ chúng nằm từ S0-S7. Cổng S0 đƣợc dùng làm cờ hiệu trong chế độ EPP (Enhanced Parallel Port). Địa chỉ của cổng trạng thái là 0x379. Nó thƣờng đƣợc xác định bằng "DATA+1". Vậy vấn đề đặt ra là làm thế nào để xác định cổng dữ liệu, tất nhiên là rất đơn giản: mỗi cổng đều có một địa chỉ.Trong Windows 2000, ta có thể vào phần Settings > Control Panel > System > Hardware > Device Manager > Ports (COM & LPT) > Printer Port(LPT1) > Properties = in Resources > Resource Setting để xác định địa chỉ của cổng song song. Dải địa chỉ thƣờng đƣợc sử dụng là 0378-037F. Đây là giá trị biểu diễn ở cơ số 16. Thực chất địa chỉ cổng song song ở cơ số 10 là 888. Ý nghĩa các bit trạng thái đƣợc xác định nhƣ sau:
• S0: Trạng thái hoạt động ở mode EPP.
• S2: Không sử dụng, tuy nhiên đôi khi dùng để thể hiện điều kiện ngắt của cổng (PIRQ).
• S3: Bit xác định lỗi (nFault).
• S4: Bít chọn, xác định đƣờng dữ liệu đang kích hoạt (Select).
• S5: Dùng cho máy in, xác định trạng thái hết giấy của máy (inPaperEnd, PaperEmpty hay PError).
• S6: Báo hiệu đã nhận một byte dữ liệu (nAck hay nAcknowledge).
• S7: Nếu máy in bận và không thể nhận tiếp dữ liệu thì bit này sẽ ở trạng thái thấp (Busy).
c) Các bit điều khiển:
Các bit này đƣợc dùng để điều khiển các hoạt động của cổng song song. Trên sơ đồ các bit này có giá trị từ C0 đến. Địa chỉ cổng điều khiển là 0x37A.
• C0: Đƣợc dùng để gửi lệnh đọc các bit D0-D7 (nStrobe).
• C1: Gửi lệnh tới máy in để in dòng tiếp theo (Auto LF ).
• C2: Reset máy in và xoá bộ đệm (Init, nInitialize).
• C3: Chọn đƣờng dữ liệu vào (nSelectIn).
• C4: Ngắt máy in.
• C5: Đặt hƣớng điều khiển.
• C6: Không sử dụng.
• C7: Không sử dụng.
d) Các bit nối đất:
Đó là các chân từ 18 đến 25 của cổng song song. Chúng đƣợc dùng làm chân đất cho bảng mạch.
Bảng 3.2. Sơ đồ chân cổng song song
Tín hiệu Bit Chân Hƣớng
-Strobe -C0 1 Output
+Data Bit 0 D0 2 Output
+Data Bit 1 D1 3 Output
+Data Bit 2 D2 4 Output
+Data Bit 3 D3 5 Output
+Data Bit 4 D4 6 Output
+Data Bit 5 D5 7 Output
+Data Bit 6 D6 8 Output
+Data Bit 7 D7 9 Output
-Acknowledge S6 10 Input
+Busy -S7 11 Input
+Paper End S5 12 Input
+Select In S4 13 Input
-Auto Feed -C1 14 Output
-Error S3 15 Input
-Initialize C2 16 Output
-Select -C3 17 Output
Mạch điều khiển motor bƣớc của bộ định vị sử dụng IC ULN2803, đó là vi mạch điều khiển kiểu Darlington với dòng ra cực đại 500mA và điện áp cực đại 50V. Cổng song song đƣợc gắn với bo mạch chủ của hệ thống, do đó dòng phản hồi trở lại có thể phá hỏng cống song song và thậm chí cả bo mạch chủ. Để khắc phục hiện tƣợng này ta sử dụng bộ ghép nối quang 4N35 với sơ đồ nguyên lý đƣợc cho ở hình dƣới.
Hình 3.8. Bộ ghép nối quang 4N35 3.2.2. Thu thập dữ liệu trong hệ thống đo lường. 3.2.2. Thu thập dữ liệu trong hệ thống đo lường.
3.2.2.1. Sử dụng máy phân tích mạng trong các hệ thống đo lường siêu cao tần.
Máy phân tích mạng là thiết bị đƣợc sử dụng rất nhiều trong các hệ thống đo lƣờng siêu cao tần. Nó có thể đƣợc dùng để kiểm tra các thiết bị nhƣ bộ lọc, bộ suy giảm, bộ ghép tín hiệu, bộ khuếch đại, bộ trộn tín hiệu và nhiều thiết bị cũng nhƣ hệ thống siêu cao tần khác. Ở đó, đặc tính của một thiết bị, một bo mạch hay một hệ thống đƣợc xác định bằng cách so sánh tín hiệu lối ra của thiết bị với tín hiệu đặt vào thiết bị đó.
H
Hình 3.10. Đo lường các đặc tính thiết bị
Hình 3.11. Lưu đồ hệ thống đo lường thiết bị siêu cao tần
DUT là thiết bị cần đo (Device Under Test)
Máy thu R Máy thu A Máy thu B
Cổng 1 Cổng 2 Nguồn
Lối vào Lối ra
Thiết bị điện tử Tia tới Tia phản xạ Máy phân tích mạng Tia tới Tia phản xạ
Tia truyền qua
Nguồn
Tia tới (R)
Tia phản xạ (A)
Tia truyền qua (B) Máy thu/ Máy dò
Từ việc xác định tỉ số tín hiệu truyền qua / tín hiệu tới (B/R) và tỉ số tín hiệu phản