Báo cáo Thí nghiệm siêu cao tần và anten

BÁO CÁO THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM ANTEN VÀ SIÊU CAO TẦN MỤC LỤC LAB 1: PHÂN TÍCH THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ ĐƠN GIẢN Phần 1: Đường truyền cơ bản trong miền tần số Trang 2 2.1 Các loại đường truyền cơ bản. Trang 2 2.2 Các mô hình SPICE của đường truyền Trang 3 2.3 Ngắn mạch và các trường hợp trở kháng tải Trang 9 LAB 1: PHÂN TÍCH THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ ĐƠN GIẢN Phần 1: Đường truyền cơ bản trong miền tần số 2.1 Các loại đường truyền cơ bản: Đường truyền không tổn hao tiêu chuẩn còn gọi là đường truyền T, nó được xác nhận bởi các thông số sau: Zo: trở kháng đặc trưng. TD: thời gian trễ, là độ dài của đường truyền theo đơn vị thời gian. Độ dài của đường truyền L được tính theo công thức sau: (2.1) Trong đó, là vận tốc pha của sóng truyền trên đường truyền. Vận tốc pha và trở kháng đặc trưng được suy ra từ các “phần tử tập trung” của đường truyền. Với L’ là độ tự cảm nối tiếp trên một đơn vị chiều dài và C’ là điện dung song song trên một đơn vị chiều dài, chúng ta có: (2.2) (2.3) 2.1.1 Các đồng trục tiêu chuẩn: Cho một cáp đồng trục RG-58 quen thuộc, trở kháng đặc trưng Z0=50Ω và vận tốc pha up=2/3c. Với là vận tốc ánh sáng. Câu hỏi 1: Đối với đường truyền trên, tính các thông số độ tự cảm nối tiếp và điện dung song song trên một đơn vị chiều dài? Trả lời: Đối với cáp đồng trục không tổn hao, các công thức tiếp theo mô tả quan hệ khác của độ tự cảm nối tiếp L’ và điện dung song song C’ đối với bán kính của dây dẫn bên trong a và dây dẫn bên ngoài b. (2.4) (2.5) Câu hỏi 2: Cho cáp đồng trục khác, μ = μ0 và ε = 3ε0. Tính b/a nếu Z0 = 50 Ω? Trả lời: Câu hỏi 3: Nếu b=3mm, trong câu hỏi 2 tính a? Trả lời: 2.2 Các mô hình Spice của đường truyền: Fig 1: Sơ đồ mạch của phần 2.2 Sử dụng phần mềm SPICE, tạo nguồn nguồn VAC Thevenin có biên độ 1 V và trở kháng nguồn 50Ω, dọc theo đường truyền loại T, kết cuối tải 100Ω. Tùy chỉnh đường truyền để có trở kháng đặc trưng 50Ω. Tạo nhãn Input và Load ở 2 đầu đường truyền để có thể đo điện áp một cách thuận tiện. Những gì chúng ta sẽ làm là để điều chỉnh chiều dài của đường truyền và kiểm tra mô hình sóng đứng ở ngõ vào qua một bước sóng cực đại ở tần số 200MHz. Câu hỏi 4: Ở tần số 200MHz và với up=2/3c, tính bước sóng trên đường truyền? Trả lời: Câu hỏi 5: Tính độ trễ ứng với λ/16? (Gợi ý: nhớ rằng ) Trả lời: Sử dụng SPICE để mô phỏng từng bước trạng thái AC ứng với đường truyền này có độ dài lần lượt 0, λ/16, 2λ/16, …, 15λ/16, λ. Canh giữa vùng quét trên tần số mong muốn và quét tuyến tính. Hình 2: Mô tả đoạn đường truyền thay đổi trong mục 2.2 Hướng dẫn: Sử dụng Parameter đối với TD. Vẽ PARAM từ thư viện special.olb. Double click vào nó và chọn New Column… Đặt tên delay với giá trị 5ns. Gán {delay} (có cặp dấu ngoặc nhọn) cho TD lên đường truyền. Khi tạo profile mô phỏng, chọn tùy chọn quét theo tham số. Chọn Global Parameter với tham số delay. Đặt vùng quét và khoảng tăng dựa trên các tính toán ở trên. Dưới “General Settings” chỉnh vùng quét (Sweep Range) từ tần số bắt đầu 200Meg đến tần số kết thúc 200Meg và khoảng tăng. Total Points là 1. Sử dụng Excel, lập bảng biên độ điện áp và biên độ dòng ở các cực Input và Load đối với mỗi đoạn đường truyền. L/λ TD(ns) |Vinput|(mV) |IZG|(mA) |Vload|(mV) |IZL|(mA) 0 0 666.667 6.6667 666.667 6.6667 1/16 0.3125 628.99 8.117 666.667 6.6667 1/8 0.625 527.046 10.541 666.667 6.6667 3/16 0.9375 399.908 12.595 666.667 6.6667 1/4 1.25 334.855 13.333 666.667 6.6667 5/16 1.5625 399.782 12.584 666.667 6.6667 3/8 1.875 527.046 10.541 666.667 6.6667 7/16 2.1875 626.854 8.0029 666.667 6.6667 1/2 2.5 666.667 6.6667 666.667 6.6667 9/16 2.8125 626.854 7.9982 666.667 6.6667 5/8 3.125 527.435 10.579 666.667 6.6667 11/16 3.4375 399.908 12.58 666.667 6.6667 3/4 3.75 333.333 13.316 666.667 6.6667 13/16 4.0625 399.908 12.58 666.667 6.6667 7/8 4.375 528.988 10.549 666.667 6.6667 15/16 4.6875 628.408 7.9982 666.667 6.6667 1 5 666.667 6.6667 666.667 6.6667 Câu hỏi 6: Sử dụng PSPICE, Excel, hoặc Matlab để vẽ biểu đồ biên độ của điện áp ngõ vào phụ thuộc độ dài đường truyền TD (delay). Từ các giá trị điện áp trên biểu đồ và mối quan hệ , xác định tỉ số sóng dứng VSWR. Và từ đó tính độ lớn hệ số phản xạ |G|. Trả lời: Hình 6: Biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào (Sử dụng PSPICE) Vmin = 333,333 mV Vmax = 666,667 mV Câu hỏi 7: Sử dụng PSPICE, Excel hoặc Matlab để vẽ biểu đồ biên độ dòng điện ngõ vào phụ thuộc độ dài đường truyền. Từ các giá trị dòng điện trên biểu đồ, xác định VSWR và từ đó tính |G|. Điện áp và dòng có suy ra cùng VSWR và |G| không? Trả lời: Hình 7: Biểu đồ biên độ dòng điện ngõ vào (Sử dụng PSPICE) Imin = 6,6667 mA Imax = 13,3333 mA Vậy tỉ số sóng đứng VSWR và hệ số phản xạ |G| không thay đổi khi tính với cường độ dòng điện ngõ vào. Câu hỏi 8: Vẽ biểu đồ biên độ trở kháng ở ngõ vào thay đổi theo độ dài đường truyền bằng cách sử dụng các dữ liệu đã thu thập được với PSPICE. Vẽ biểu đồ các phần thực và ảo của trở kháng sử dụng PSPICE. Đồng thời vẽ biểu đồ trở kháng sử dụng giản đồ Smith. Trả lời: Hình 8: Biểu đồ trở kháng ngõ vào (Sử dụng PSPICE) Đường xanh lá cây: Biên độ Đường màu đỏ : Phần thực Đường xanh da trời: Phần ảo Câu hỏi 9: Tính hệ số phản xạ G và tỉ số sóng đứng VSWR sử dụng trực tiếp các phương trình (2.6) và (2.7) bên dưới. Kiểm tra lại các kết quả của câu 6, 7 và 8. (2.6) (2.7) Trả lời: Các giá trị này không thay đổi so với các thông số đã đo được ở câu 6,7 và 8. Câu hỏi 10: Vẽ biểu đồ biên độ điện áp trên tải thay đổi theo độ dài đường truyền. Điện áp này thay đổi như thế nào với các đoạn đường truyền? Từ điều này, bạn suy nghĩ như thế nào rằng công suất trên tải sẽ thay đổi theo chiều dài đường truyền? Trả lời: Hình 10: Biểu đồ biên độ điện áp trên tải (Sử dụng PSPICE) Điện áp trên tải hầu như không thay đổi theo các đoạn đường truyền: VLOAD = 666.6667 mV Suy ra công suất trên tải cũng không thay đổi với các độ dài đường truyền khác nhau. 2.3 Ngắn mạch và các trường hợp trở kháng tải: SPICE có cơ chế tốt để quét tần số nhưng không quét độ dài đường truyền một cách trực tiếp. “Độ dài điện” của đường truyền là βl, (2.8) Vì thế, độ dài đường truyền thay đổi từ l đến 10l cũng tương ứng tần số quét từ 10f đến f. Hoặc nói theo cách khác, nếu một đoạn đường truyền là 1 λ ở tần số f0, thì nó dài 0.5 λ ở 0.5f0 và dài 2 λ ở 2f0. Câu hỏi 11: Nếu ta có 1m cáp đồng trục đã mô tả ở câu hỏi 4, ở tần số nào thì nó có độ dài λ/2? Ở tần số nào nó có độ dài 2.5λ? (Chú ý rằng chúng ta không thay đổi độ dài vật lý của đường truyền, chỉ thay đổi “độ dài điện” đã nói ở trên). Trả lời: Ở câu 4, với đoạn đường truyền là λ ở tần số f=200MHz. Suy ra, với đoạn đường truyền là 0.5λ ở tần số 100MHz. Suy ra, với đoạn đường truyền là 2.5λ ở tần số 500MHz. Sử dụng một đường truyền dài 1m, điều chỉnh trình mô phỏng SPICE để quét tuyến tính trong tần số từ 0.5 đến 2.5 lần bước sóng. Lần mô phỏng này chúng ta không điều chỉnh độ dài của đường truyền mà điều chỉnh tần số của hệ thống để tạo ra các kết quả tương tự. Fig 3. Sơ đồ mạch của câu hỏi 13 (Hiệu chỉnh độ dài) Câu hỏi 12: Vẽ biểu đồ biên độ điện áp ở ngõ vào ứng với các ‘độ dài điện” khác nhau (nhớ rằng chúng ta thực sự chỉ điều chỉnh tần số) là nhãn thuộc tính của trục hoành (sử dụng Text box trong PSPICE). Biểu đồ này có đúng với biểu đồ đã có ở câu 6? Tính VSWR? Trả lời: Hình 12: Biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào thay đổi theo tần số Ứng với ZL=100Ω (Sử dụng PSPICE) Biểu đồ này tương tự với biểu đồ ở câu 6. Vmin = 333,459mV Vmax = 665,66mV Thay thế tải 100Ω với tải 25Ω. Câu hỏi 13: Vẽ biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào và so sánh với trường hợp ZL=100Ω . Từ biểu đồ, tính VSWR? Hình 13: Biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào thay đổi theo tần số Ứng với ZL=25Ω(Sử dụng PSPICE) Vmin = 333,338mV Vmax = 666,661mV Thay thế tải với “ngắn mạch”, ZL=0.001Ω. Câu hỏi 14: Vẽ biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào. Từ biểu đồ, tìm VSWR. Từ phương trình (2.6) và (2.7) tính VSWR. Hai kết quả này có giống nhau không? Trả lời: Hình 14: Biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào thay đổi theo tần số Trường hợp ngắn mạch ZL=0.001Ω(Sử dụng PSPICE) Vmin = 0V Vmax = 1V Tính theo biên độ điện áp: Tính theo trở kháng tải: Cả 2 cách tính đều cho kết quả giống nhau. Thay thế tải với trường hợp hở mạch, ZL=1MΩ. Câu hỏi 15: Vẽ biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào. Tính VSWR tương tự câu 14, so sánh 2 kết quả VSWR. Trả lời: Hình 15: Biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào thay đổi theo tần số Trường hợp hở mạch ZL=1MΩ(Sử dụng PSPICE) Vmin = 0V Vmax = 1V Tính theo biên độ điện áp: Tính theo trở kháng tải: Cả 2 cách tính đều cho kết quả giống nhau. Câu hỏi 16: Các biểu đồ từ câu 14 và câu 15 tương tự nhau như thế nào? Trả lời: Biểu đồ ở câu 14 và câu 15 có cùng biên độ nhưng lệch pha π/2.