Thực hành thí nghiệm Anten và siêu cao tấn

Thực hành thí nghiệm Anten và siêu cao tấn

BÁO CÁO THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM ANTEN VÀ SIÊU

CAO TẦN

MỤC LỤC

LAB 1: PHÂN TÍCH THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ ĐƠN GIẢN

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:

D

p T u

Trong đó, u plà 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:

' '

1

C L

'

' 0

C

L

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 c=3.108m s 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?

s m c

u p = = =













=

=

=

=

=

=

⇔













=

=

⇔













=

=

−

−

m

nF m

F C

m

pH m

H L

C L

C L

C

L

C

L

1 , 0 ) ( 10 10 100

1 10

4 2500

1 '

5 , 2 ) ( 10 2500 '

2500 '

'

10 4

1 ' '

50

'

'

10

2

'

'

1

10 8

16

10 16

8

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













=

a

b

2

' π

µ

(2.4)













=

a b

C

ln

2 ' πε

(2.5)

Trả lời:

22 , 4

44 , 1 6

3 5 1200 50

36

10 3 4

10 4 50

3 4

50

4

ln 4

ln '

'

44

,

1

9 2

7 0

2

0 2

0 2

2

0

=

=

⇒

=

=

=

=

=

=













⇒

























=

=

−

−

e

a

b

Z a

b a

b

C

L

Z

π π

π ε

π

µ ε

π

µ ε

π µ

Câu hỏi 3: Nếu b=3mm, trong câu hỏi 2 tính a?

22 , 4

3 22 ,

= b

a

2.2 Các mô hình Spice của đường truyền:

L o a d

0

Z G

5 0

I n p u t

P A R A M E T E R S :

d e l a y = 5 n s

Z L

1 0 0

0

V G

1 V a c

0 V d c

T 1

T D = { d e l a y }

Z 0 = 5 0

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

10 200 3

10 3 2

3

2

6

8

m f

c f

u p

=

=

=

=

λ

L u

L T

p D

⋅

=

=

λ )

10 200 16

1 16

1

16

12

f f

L u

L T L

p

⇒

λ λ

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 (ns)TD |Vinput|(mV) (mA)|IZG| |Vload|(mV) (mA)|IZL|

3/16 0.9375 399.908 12.595 666.667 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

9/16 2.8125 626.854 7.9982 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

min

max

V

V VSWR= , xác định tỉ số sóng dứng VSWR Và từ đó tính độ lớn hệ số phản

xạ |Γ|

Trả lời:

Vmin = 333,333 mV Vmax = 666,667 mV

333 , 0 3

1 1 2

1 2 1

1 2

333 , 333

667 , 666

min

+

−

= +

−

= Γ

⇒

=

=

=

VSWR

VSWR V

V

VSWR

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 |Γ| Điện áp và dòng có suy ra cùng VSWR và |Γ| không?

Hình 6: Biểu đồ biên

độ điện áp ngõ vào (Sử dụng PSPICE)

Trả lời:

Imin = 6,6667 mA Imax = 13,3333 mA

333 , 0 2

6667 , 6

3333 , 13

min

max min

=

I

I V

V

VSWR

Vậy tỉ số sóng đứng VSWR và hệ số phản xạ |Γ| 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

Hình 7: Biểu đồ biên

độ dòng điện ngõ vào (Sử dụng PSPICE)

Trả lời:

phương trình (2.6) và (2.7) bên dưới Kiểm tra lại các kết quả của câu 6, 7 và 8

Γ

−

Γ +

=

1

1

0

0

Z Z

Z Z

L

L

+

−

=

0

−

+

=

⇒

≈

= +

−

= +

−

=

Z Z

Z Z

L L

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?

Hình 8: Biểu đồ trở kháng ngõ vào (Sử dụng PSPICE)

Đường xanh lá cây: Biên độ

Đường xanh da trời: Phần ảo

Trả lời:

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,

l u

f l l

p

π λ

π

β = 2 = 2 (2.8)

Vì thế, độ dài đường truyền thay đổi từ l đến 10l cũng tương ứng tần số quét từ 10f đến

ở 0.5f 0 và dài 2 λ ở 2f 0

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

Hình 10: Biểu đồ biên độ điện áp trên tải (Sử dụng PSPICE)

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

Z G

5 0

V G

1 V a c

0 V d c

T 1

T D = 5 n s

Z 0 = 5 0

Z L

1 0 0

0

L o a d

I n p u t

0

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:

Biểu đồ này tương tự với biểu đồ ở câu 6

Vmin = 333,459mV Vmax = 665,66mV

2 459 , 333

66 , 665

min

=

V

V

VSWR

Thay thế tải 100Ω với tải 25Ω

Từ biểu đồ, tính VSWR?

Hình 12: Biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào thay đổi theo tần số

Ứng với ZL=100Ω (Sử dụng PSPICE)

Vmin = 333,338mV Vmax = 666,661mV

2 338 , 333

661 , 666

min

=

V

V

VSWR

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 13: Biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào thay đổi theo tần số

Ứng với ZL=25Ω(Sử dụng PSPICE)

Vmin = 0V Vmax = 1V

Tính theo biên độ điện áp: = = →∞

0

1

min

max

V

V VSWR

Tính theo trở kháng tải: 00 5050 1

0

+

−

= +

−

= Γ

Z Z

Z Z

L L

∞

→

=

−

+

= Γ

−

Γ +

=

0

2 1 1

1 1 1

1

VSWR

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 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: = = →∞

0

1

min

max

V

V VSWR

Tính theo trở kháng tải: 1

50 10

50 10

6 6 0

+

−

= +

−

= Γ

Z Z

Z Z

L L

∞

→

=

−

+

= Γ

−

Γ +

=

0

2 1 1

1 1 1

1

VSWR

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

Hình 15: Biểu đồ biên độ điện áp ngõ vào thay đổi theo tần số

Trường hợp hở mạch ZL=1MΩ(Sử dụng PSPICE)