THI NGHIM SIEU CAO TN VA ANTEN

Vẽ các linh kiện trong mạch: Place->Part  Đường truyền: T/Analog analog library  Điện trở: R/Analog analog library  Tụ điện: C/Analog analog library  Nguồn điện áp có thể quét tầ

THÍ NGHIỆM SIÊU CAO TẦN

VÀ ANTEN

Bài 1 PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG MIỀN TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN

1.1 Mở phần mềm Pspice:

Start->All Programs->EE Programs->PSpice Student->Capture Student

1.2 Tạo một project mới: File->New->Project

a Chọn nơi chứa file mới

b Chọn “Analog or Mixed Signal”

c Chọn “Create a blank project”

Hình 1.1 Sơ đồ mạch 1.3 Vẽ sơ đồ mạch như hình 1:

a Vẽ các linh kiện trong mạch: Place->Part

 Đường truyền: T/Analog (analog library)

 Điện trở: R/Analog (analog library)

 Tụ điện: C/Analog (analog library)

 Nguồn điện áp có thể quét tần số: Vac/Source (source library)

b Kết nối các linh kiện lại: Place->Wire

c Mạch nối đất: Place->Ground

 Ground: “0” (bạn có thể thêm từ nguồn thư viện)

d Các nút nhãn: Place->Net Alias

1.4 Nhập giá trị của mỗi linh kiện như hình 1 Ví dụ: R = 100 Ω Nếu giá trị đã được hiển thị, bạn có thể kích đôi chuột vào giá trị đó để thay đổi

Nếu các giá trị thuộc tính của đường truyền không được hiển thị, ta kích đôi chuột vào biểu tượng của đường truyền, sẽ có một bảng hội thoại hiện ra có tất cả các thuộc tính liên quan đến đường truyền Ta có thể chọn các thuộc tính muốn hiển thị (TD và Z0) Sau đó, kích vào nút “Display”, chọn “Name and Value” của thuộc tính đó

Nếu không tìm thấy TD và Z0 trong các thuộc tính của đường truyền, ta có thể thử thay đổi “Filter by” để dễ tìm thấy

1.5 Kí hiệu

a k -kilo

Vsource

CL 1nF

V

V

0

RS 50 VS

1Vac 0Vdc

VRL RL 50

0

T1

TD = 1ns Z0 = 50

0

Vload

0

b MEG-mega

c G-giga

d m-mili

e u-micro

f n-nano

g p-pico

1.6 Thiết lập mô phỏng: Pspice->New simulation profile

a Chọn “AC sweep” trong thẻ “Analysis”

b Nhập tần số bắt đầu: 100MEG

c Nhập tần số kết thúc: 10G

d Chọn thang “Logarithmic”

e Nhập số điểm dữ liệu để xử lý

Hình 1.2 Thiết lập mô phỏng AC có tần số quét 100 MHz đến 10GHz với 1000 điểm

1.7 Mô phỏng: PSpice->Run

1.8 Kiểm tra kết quả: (từ cửa sổ mô phỏng) View->Output File

1.9 Vẽ đồ thị: Kích chọn Trace->Add Trace để vẽ một thông số như dòng điện hay

điện áp Yêu cầu vẽ đồ thị biểu diễn các thông số sau:

a Dòng điện và điện áp của nguồn

b Dòng điện và điện áp của tải

c Thực hiện tất cả các thao tác sau đối với 2 trong 4 thông số ở câu a và câu b:

 R() – phần thực

 Imag() – phần ảo

 P() – pha

 M() – độ lớn

1.10 Kích nút “Toggle Cursor” Nó sẽ cho phép bạn nghiên cứu và đánh dấu điểm trên

đồ thị Sử dụng con trỏ để theo dõi dạng sóng đã mô phỏng Đánh dấu ít nhất 2 điểm trên mỗi đồ thị

1.11 Vẽ đồ thị Bode của Vsource và Vload bằng cách vẽ 20*LOG10(điện áp) Ta có thể gõ câu lệnh này vào trong hộp thoại Trace

1.12 Lặp lại mô phỏng cho dãy tần số từ 100 kHz đến 100 MHz Vẽ đồ thị Bode cho cùng đầu ra Trong mạng thụ động này, tại sao điện áp tải lại cao hơn điện áp nguồn? 1.13 Thay nguồn VAC bởi nguồn sin VSIN (Chọn giá trị thích hợp cho biên độ và tần

số, cài đặt Offset bằng 0)

Hình 1.3 Sơ đồ mạch cho câu 13 Lần mô phỏng này sẽ thực hiện trong miền thời gian (Time Domain Response) Vẽ dạng sóng của điện áp VSOURCE và VLOAD trong 5 chu kì sóng Tại tần số 0,5 GHz, với các giá trị đường truyền như ta đã chọn thì trễ pha bao nhiêu độ? Chứng minh Có thể sử dụng phương trình sau:

0 360





ChuKi

Trê Trê

T

t



Vload

Vres

V

Vsource

T1

TD = 1n Z0 = 50

V

RL 50

0

0

VS

FREQ = 0.5G VAMPL = 10 VOFF = 0

CL 1n RS

50

Bài 2 ĐƯỜNG TRUYỀN CƠ BẢN TRONG MIỀN TẦN SỐ

Trong bài thí nghiệm này, chúng ta sẽ sử dụng phần mềm SPICE để tìm hiểu sóng sin trên đường truyền không suy hao Mục tiêu của bài thí nghiệm này là giúp các bạn làm quen với đặc điểm cơ bản của sóng phản xạ từ tải trong đường truyền, và so sánh kết quả mô phỏng với tính toán lý thuyết và biểu đồ Smith

2.1 Mô hình đường truyền cơ bản

Có 1 mô hình đường truyền tổn hao cơ bản T, được xác định bởi một vài thông

số Chúng ta cần xác định 2 thông số:

 Z0, trở kháng đặc tính

 TD, thời gian trễ, là chiều dài của đường truyền trên đơn vị thời gian

Chiều dài của đường truyền L có mối quan hệ với thời gian trễ thông qua phương trình sau:

Với up là vận tốc pha của sóng trên đường truyền

Như ta đã biết, vận tốc pha và trở kháng đặc tính phụ thuộc vào các yếu tố kênh truyền Gọi L’ là điện cảm trên một đơn vị chiều dài, và C’ là điện dung trên một đơn vị chiều dài, thì ta có:

' '

1

C L

'

' 0

C

L

2.1.1 Cáp đồng trục

Cáp đồng trục RG-58, có trở kháng đặc tính Z0 = 50 Ω và vận tốc pha up = 2/3 c (c là tốc độ ánh sáng, c = 3.108 m/s)

Câu hỏi 1: Đối với đường truyền trên thì điện cảm và điện dung trên một mét là

bao nhiêu?

Đối với cáp đồng trục có suy hao, các công thức sau đây thể hiện mối quan hệ giữa điện cảm L’ và điện dung C’ với bán kính trong và bán kính ngoài của dây dẫn:















a

b

2

'



















a b C

ln

2 ' 

(2.5)

Câu hỏi 2: Cho một cáp đồng trục có µ = µ0 và ε = 3ε0 Tính b/a biết Z0 = 50 Ω

Câu hỏi 3: Trong câu hỏi 2, nếu b = 3 mm thì a bằng bao nhiêu?

2.2 Mô phỏng đường truyền

Sử dụng SPICE, tạo một nguồn Thevenin VAC với biên độ điện áp bằng 1 và trở kháng nguồn bằng 50 Ω, truyền trên một đường truyền T, có trở kháng tải bằng 100 Ω Thiết lập đường truyền có trở kháng đặc tính bằng 50 Ω Tạo nhãn “Input” và nhãn

“Load” tại mỗi đầu của đường truyền, như vậy ta đo điện áp ở 2 đầu sẽ thuận tiện hơn

Hình 2.1 Sơ đồ mạch cho phần 2.2 Chúng ta cần để điều chỉnh độ dài của dây dẫn và kiểm tra các mô hình sóng đứng ở đầu vào trên một bước sóng đầy đủ ở tần số 200MHz

Câu hỏi 4: Tại tần số 200 MHz và vận tốc pha up = 2/3 c thì bước sóng trong đường truyền bằng bao nhiêu?

Câu hỏi 5: Với bước sóng λ/16 thì thời gian trễ bằng bao nhiêu? (chú ý: ta có

công thức

f

L u

L T

p D







Sử dụng SPICE để mô phỏng đáp ứng trạng thái ổn định AC của đường truyền

có chiều dài 0, λ/16, 2λ/16, …, 15λ/16, λ Tập trung quét trên tần số đặc trưng và quét tuyến tính

Hình 2.2 Minh họa chiều dài đường truyền thay đổi cho phần 2.2

Load

0

ZG 50 Input

PARAMETERS:

delay = 5ns

ZL

100

0

VG

1Vac 0Vdc

T1

TD = {delay } Z0 = 50

Để thực hiện điều này, ta sẽ sử dụng tham số TD Đặc biệt là PARAM Kích đôi lên tham số này, sau đó kích “New Column”, đặt tên cho cột mới là “delay” và thiết lập giá trị cho nó bằng 5 ns Gán {delay} (có cả dấu ngoặc nhọn) với TD trên đường truyền Khi ta cài đặt các thông số mô phỏng, chọn thông số quét như một tùy chọn Chọn

“Global Parameter” với thông số delay Thiết lập dải quét và mức tăng dựa trên các tính toán TD của bạn ở trên Tại “General Settings” ta thiết lập dải tần số, tần số bắt đầu: 200Meg và tần số kết thúc: 200 Meg, tổng số điểm tăng: 1

Sử dụng excel, tạo 1 bảng cường độ điện áp và cường độ dòng điện tại các nút

“Input” và “Load” đối với mỗi chiều dài đường truyền

Câu hỏi 6: Sử dụng PSPICE, Excel, hay Matlab để vẽ cường độ điện áp tại

“Input” với chiều dài đường truyền Từ những giá trị điện áp trên đồ thị và phương trình:

min

max

V

V

VSWR , xác định VSWR, và từ VSWR tính ||

Câu hỏi 7: Sử dụng PSPICE, Excel, hay Matlab để vẽ cường độ dòng điện tại

“Input” với chiều dài đường truyền Từ các giá trị dòng điện trên đồ thị, xác định VSWR,

từ VSWR tính || VSWR và || trong 2 trường hợp trên có giông nhau không?

Câu hỏi 8: Vẽ biên độ trở kháng tại “Input” với chiều dài đường truyền, sử dụng

dữ liệu thu thập được từ PSPICE Vẽ phần thực và phần ảo của trở kháng sử dung PSPICE

Câu hỏi 9: Tính  và VSWR trực tiếp, sử dụng phương trình (2.6) và (2.7) bên dưới Có giống với kết quả đo được từ câu hỏi 6, 7 và 8?









 1

1

0

0

Z Z

Z Z L

L







Câu hỏi 10: Vẽ đồ thị biểu diễn quan hệ giữa cường độ điện áp và chiều dài

đường truyền Khi chiều dài đường truyền thay đổi thì cường độ điện áp thay đổi như thế nào? Từ đó, bạn có đánh giá gì về công suất nhận được tại tải khi độ dài đường truyền thay đổi

2.3 Ngắn mạch và quá tải trở kháng tải

SPICE có một công cụ để quét tần số, nhưng không có trực tiếp quét chiều dài cảu đường truyền “electrical length” của một đường truyền bằng βl

l u

f l l

p







Vì vậy, việc thay đổi chiều dài đường truyền từ l đến 10l cũng giống như quét tần số từ 10f đến f Hay nói cách khác, nếu chiều dài đường truyền bằng 1 λ tại tần số f 0

thì chiều dài bằng 0.5 λ tại 0.5f 0 và 2 λ tại 2f 0

Câu hỏi 11: Nếu ta có 1 m cáp đồng trục như trong câu hỏi 4, tại tần số bao nhiêu

thì chiều dài bằng λ/2? Tại tần số bằng bao nhiêu thì ta có chiều dài bằng 2.5λ (Chú ý,

ta không thay đổi chiều dài vật lý của đường truyền, nó chỉ là “electrical length” như định nghĩa ở trên)

Sử dụng 1 m chiều dài đường truyền, chỉnh mô phỏng SPICE của bạn, quét trực tiếp tần số từ 0.5λ đến 2.5λ Trong mô phỏng này, ta không điều chỉnh chiều dài của đường truyền, mà điều chỉnh tần số của hệ thống thì cũng đạt được kết quả giống như điều chỉnh chiều dài của đường truyền

Hình 2.3 Sơ đồ mạch cho câu hỏi 13

Câu hỏi 12: Vẽ cường độ điện áp tại “Input” cho những chiều dài khác nhau (nhớ

rằng, ta chỉ điều chỉnh tần số) trên trục ngang Có giống với đồ thị trong câu hỏi 6 không? Giá trị VSWR bằng bao nhiêu?

Thay tải 100 Ω bằng tải 25 Ω

Câu hỏi 13: Vẽ cường độ điện áp tại “Input”, và so sánh với trường hợp trước

có tải 100 Ω Từ đồ thị, tìm giá trị VSWR?

Thay tải bằng 0.001 Ω, giống như ngắn mạch tải

Câu hỏi 14: Vẽ cường độ điện áp tại “Input” Từ đồ thị, xác định VSWR Từ

phương trình (2.6) và (2.7) tính giá trị VSWR So sánh 2 kết quả với nhau

Thay tải bằng 1 MΩ, giống như hở mạch tải (chú ý, trong PSPICE, MEG =

“mega”, M = “milli”)

Câu hỏi 15: Vẽ cường độ điện áp tại “Input” Từ đồ thị, xác định VSWR Tính

giá trị VSWR tử phương trình (2.6) và (2.7) So sánh 2 kết quả với nhau

ZG 50

VG

1Vac 0Vdc

T1

TD = 5ns Z0 = 50

ZL 100

0

Load Input

0

Bài 3 QUÁ ĐỘ TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN

3.1 Giới thiệu

Chúng ta đã tìm hiểu đường truyền dưới tác động của nguồn sin Với những kiến thức hiện có, cho phép ta thiết kế một mạch đơn giản

Ngược lại, việc phân tích quá độ nói chung là khó khăn hơn và ít tuân theo phân tích đơn giản, đặc biệt khi tải là phần tử tích cực Trong phần thí nghiệm này, sẽ tìm hiểu sự lan truyền của quá độ trên đường truyền với sự hỗ trợ của phần mềm SPICE

3.2 Tải thuần trở

Trước tiên, ta sẽ sử dụng SPICE để tìm hiểu sự lan truyền các xung trên đường truyền có tải thuần trở

3.2.1 Hàm bước nhảy, phổi hợp trở kháng tải

Trước tiên, tạo một đường truyền 50 Ω với chiều dài (thời gian trễ) 25 ns, và

nguồn Thevenin 10u(t), với trở kháng nguồn Rg = 50 Ω, trở kháng tải RL = 50 Ω Chạy

mô phỏng

Để tạo nguồn điện áp, sử dụng nguồn VPWL Việc sử dụng nguồn VPWL cho phép tạo những thời điểm khác nhau và điện áp tại những thời điểm đó bằng cách sử dụng các thông số T1, T2, T3,… và V1, V2, V3,…Hoặc ta có thể sử dụng nguồn VPULSE Việc sử dụng nguồn VPULSE cho phép thiết lập điện áp ban đầu, V1, điện

áp của xung, V2, thời gian trễ, TD, thời gian sườn lên, TR, thời gian sườn xuống, TF,

độ rộng xung, PW và chu kì, PER

Nguồn VPWL cho phép người dùng chỉ rõ điện áp tại các thời điểm đã được chỉ định sử dụng các thông số T1, T2, T3 và V1, V2, V3,…tương ứng Chú ý, nguồn này sẽ kết nối mỗi điểm được thiết lập một cách trực tiếp nhất Ngoài ra, hai điện áp không thể được thiết lập trong cùng thời gian, vì vậy sự thay đổi tức thời phải được xấp xỉ

Ví dụ: Thiết lập 1 nguồn VPWL cung cấp xung vuông 10 V, thời điểm bắt đầu t=0 và cuối cùng là t = 10 ns, các thông số sau sẽ được xác định: T1 = 0, V1 = 0, T2=0.001n, V2 = 10, T3 = 10 n, V3 = 10, T4 = 10.001 n, V4 = 0 (Nếu V3 = 0 thì sẽ tạo thành sóng răng cưa)

Việc sử dụng VPULSE cho phép xác định điện áp ban đầu, V1, điện áp của xung, V2, thời gian trễ, TD, thời gian sườn lên, TR, thời gian sườn xuống, TF, độ rộng xung,

PW và chu kì, PER Một xung đơn có thể được tạo thành từ nguồn này Nhiều tín hiệu phức tạp có thể được tạo thành từ việc kết hợp nhiều nguồn đơn

Câu hỏi 1: Vẽ điện áp tại 2 điểm đầu cuối của đường truyền trong khoảng thời

gian t = 0…50 ns Sử dụng sự hiểu biết về “bounce diagrams”, giải thích đồ thị này

3.2.2 Hàm bước nhảy, không phối hợp trở kháng

Thay trở kháng tải trong trường hợp trên thành 20 Ω

Câu hỏi 2: Vẽ điện áp tại 2 điểm đầu cuối của đường truyền trong khoảng thời

gian t = 0…100 ns Sử dụng sự hiểu biết về “bounce diagrams”, giải thích đồ thị này

3.2.3 Hàm bước nhảy, không phố hợp trở kháng tải và nguồn

Thay đổi trở kháng tải trong trường hợp trên thành R L = 20 Ω, và thay trở kháng

nguồn thành R g = 200 Ω

Câu hỏi 3: Vẽ điện áp tại 2 điểm đầu cuối của đường truyền trong khoảng thời

gian t = 0…300 ns Sử dụng sự hiểu biết về “bounce diagrams”, giải thích đồ thị này

3.2.4 Xung ngắn

Thay đường truyền thành 2 đường truyền bằng nhau, có tổng chiều dài 25 ns (nghĩa là có 2 đường truyền khác nhau, cả 2 đường truyền có cùng trở kháng đặc tính bằng 50 Ω, nhưng mỗi đường truyền chỉ có thời gian trễ 12.5 ns) Điều này cho phép

chúng ta lấy mẫu “bên trong” đường truyền Với đường truyền này và R g = 200 Ω, R L=20

Ω, thời gian tồn tại xung trên đường truyền là 10 ns, tức vg(t) = 10(u(t) – u(t-10ns))

Câu hỏi 4: Vẽ điện áp tại nguồn, điểm giữa và tải của đường truyền trong khoảng

thời gian t = 0…100 ns Sử dụng sự hiểu biết về “bounce diagrams”, giải thích đồ thị này Mất bao lâu để xung “ghost” (là xung mà ta thấy được tại điểm giữa của đường truyền) đến tải? Độ lớn của xung “ghost” bằng bao nhiêu?

3.2.5 Xung dài

Trong trường hợp trước, xung ngắn (10 ns) so với chiều dài của đường truyền (25 ns) Bây giờ, ta sẽ tìm hiểu một hệ thống phức tạp hơn

Câu hỏi 5: Sử dụng cùng đường truyền và trở kháng nguồn, trở kháng tải nhưng

nguồn khác, nguồn mới này có vg = +10 V trong khoảng thời gian t = 0…20 ns, và vg = -10 V trong khoảng thời gian t = 20…40 ns Vẽ điện áp nguồn, điểm giữa và tải của đường truyền trong khoảng thời gian t = 0…100 ns Sự chuyển đổi từ “high” xuống

“low” tại tải có rõ ràng không?

3.3 Tải là phần tử tích cực

Như đã đề cập trước, thông thường tải tại điểm cuối của bus dữ liệu là phần tử tích cực (và thường là tụ điện)

Trong phần này, sơ đồ mạch gồm nguồn điện vg(t) = 10u(t), trở kháng nguồn

Rg= 25 Ω, đường truyền có trở kháng đặc tính 50 Ω và chiều dài 25 ns

Câu hỏi 6: Đầu cuối của đường truyền có 1 tụ điện 1nF Vẽ điện áp tại 2 đầu của

đường truyền trong khoảng thời gian t = 0…600 ns Nếu thấy bất kì quá trình nạp hay

xã, xác định thời hằng τ và R Có thể áp dụng các công thức sau:

Câu hỏi 7: Lặp lại thí nghiệm trên, nhưng với điện cảm tải bẳng 0.25 µH

Câu hỏi 8: Lặp lại thí nghiệm trên, nhưng tải bao gồm R L = 100 Ω, L = 1 µH và

C = 100 pF mắc song song với nhau

YÊU CẦU BÁO CÁO VÀ THUYẾT TRÌNH

1 Yêu cầu báo cáo

 Báo cáo đánh máy

 Báo cáo không quá 20 trang

 Báo cáo bao gồm các đồ thị đã được mô phỏng và phải nhận xét, giải thích cho từng đồ thị

 Báo cáo bao gồm các câu trả lời của tất cả các câu hỏi trong 3 bài thí nghiệm

2 Yêu cầu thuyết trình

 Thuyết trình bằng tiếng Việt hoặc tiếng Anh

 Thời gian thuyết trình: 10 – 12 phút

 Không giới hạn số slide thuyết minh Phải đánh số slide

3 Đánh giá

 Chuyên cần, tinh thần học tập, quá trình làm thí nghiệm: 40 %

 Báo cáo, thuyết trình, trả lời câu hỏi vấn đáp: 60 %