Báo cáo cuối kỳ môn thí nghiệm siêu cao tần

BÁO CÁO CUỐI KỲ Môn : Thí nghiệm Siêu cao tần Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thị Hồng Yến Lớp : 18DT1 - Đà Nẵng, 5/2021 - PHÂN BỔ CÔNG VIỆC TRONG NHÓM - Vì nhóm có 2 người nên công viêc được chia đều cho cả hai người. - Việc thực hành trên lớp mỗi người đều phải làm 3 bài thực hành sau đó đối chiếu kết quả với nhau. - Việc viết báo cáo được phân công như sau: +: Báo cáo lab1, trả lời câu hỏi tính toán lab3. +: Báo cáo lab2, vẽ bounce diagram và giải thích dựa trên tính toán. Vì thế mức độ tham gia của thành viên trong nhóm là như nhau và rất tích cực nên thang điểm mức độ tham gia của mỗi thành viên trong nhóm như sau: LAB 1 PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG MIỀN TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN Sử dùng phần mềm PSPICE để mô phỏng mạch phân tích tín hiệu trong miền tần số và thời gian. Sơ đồ mạch như sau: Thực hiện mô phỏng mạch theo yêu cầu của bài thí nghiệm: Vẽ đồ thị biểu diễn: Khảo sát từ tần số 100MEGHz đến 5GHz.Điện áp nguồn được biểu diễn bằng đường màu xanh, điện áp tải được biểu diễn bằng đường màu đỏ:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

- -BÁO CÁO CUỐI KỲ

Yến

Đà Nẵng, 5/2021

-PHÂN BỔ CÔNG VIỆC TRONG NHÓM

- Vì nhóm có 2 người nên công viêc được chia đều cho cả hai người

- Việc thực hành trên lớp mỗi người đều phải làm 3 bài thực hành sau đó đối chiếu kết quả với nhau

- Việc viết báo cáo được phân công như sau:

+: Báo cáo lab1, trả lời câu hỏi tính toán lab3

+: Báo cáo lab2, vẽ bounce diagram và giải thích dựa trên tính toán

Vì thế mức độ tham gia của thành viên trong nhóm là như nhau và rất tíchcực nên thang điểm mức độ tham gia của mỗi thành viên trong nhóm nhưsau:

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

Sử dùng phần mềm PSPICE để mô phỏng mạch phân tích tín hiệu trong miền tần

số và thời gian

Sơ đồ mạch như sau:

Thực hiện mô phỏng mạch theo yêu cầu của bài thí nghiệm:

Vẽ đồ thị biểu diễn:

Khảo sát từ tần số 100MEGHz đến 5GHz.Điện áp nguồn được biểu diễn bằng đường màu xanh, điện áp tải được biểu diễn bằng đường màu đỏ:

1 ĐỒ THỊ ĐIỆN ÁP TẢI VÀ ĐIỆN ÁP NGUỒN

2 ĐỒ THỊ DÒNG ĐIỆN NGUỒN VÀ DÒNG ĐIỆN TẢI

3.ĐỒ THỊ DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP TRÊN 1 ĐỒ THỊ VỚI 2 TRỤC TUNGVsource và Isource:

Vload và Iload:

Giải thích hình dạng của đồ thị:

- Vì điện áp vào là điện áp xoay chiều, nên khi tần số thay đổi làm cho

cường độ dòng điện và điện áp thay đổi theo nên ta thấy đồ thị Vsource và Isource có dạng sóng Do ghép tải không phù hợp nên sự có mặt của sóng phản xạ làm cho biên độ sóng trên đường truyền thay đổi Và tại tần số rất cao dòng điện và điện áp tại nguồn thay đổi rất ít và coi nhưng không đồi

- Tương tự như thế ta thấy điện áp và dòng điện tại tải không đổi tại tần số rất cao nguyên nhân là do ta có Zc= 1/jωC= 1/j2πfC.ωC= 1/j2πfC.C= 1/jωC= 1/j2πfC.2πfC.fC Khi tăng tần số dung kháng giảm xuống đồng thời kéo theo trở kháng tải giảm dần đến sự thay đổi

của hệ số phản xạ Ở tần số rất cao ZC=0, hệ số phản xạ = 0 nên điện áp tạitải và nguồn gần như không đổi do vậy mà dòng điện tại tải và nguồn cũnggần như không đổi.Tải không tiêu thụ toàn bộ công suất từ nguồn mà mất một phần do phàn hồi trên đường truyền Vì thế ta thấy Vload giảm dần vàIload tăng dần.

4 ĐỔ THỊ PHẦN THỰC, PHẦN ẢO, PHA VÀ ĐỘ LỚN CỦA CÁC THÔNG

SỐ Xét điện áp nguồn và điện áp tải ta có:

- Phần thực của điện áp nguồn và điện áp tải

- Phần ảo của điện áp nguồn và điện áp tải

- Pha của điện áp nguồn và điện áp tải:

- Độ lớn của điện áp nguồn và điện áp tải:

Đánh dấu trên đồ thị

- Trên đồ thị đo điện áp nguồn và tải, chúng ta đánh dấu hai điểm trên đồ

thị dùng chức năng Toggle Cursor của PSPICE như sau:

Vẽ đồ thị Bode:

1 VẼ ĐỒ THỊ BODE CỦA ĐIỆN ÁP NGUỒN VSOURCE

2 VẼ ĐỒ THỊ BODE CỦA ĐIỆN ÁP RA VLOAD

xét tới tác động của đường truyền ( sự phản xạ tín hiệu trở về nguồn) Vậy tín hiệu phản xạ là nguyên nhân làm cho điện áp ở tải cao hơn điện áp ở nguồn.

Từ đồ thị ta thấy VLOAD trùng với VSOURCE nhưng đây không phải là cùng pha

mà là sự trễ pha lớn n360° = 720°

Chứng minh: Trễ pha được tính theo công thức:

Ta có ttre = 2ns (theo đề bài), TChuKi= 1ns nên:

2 ns

1ns x 360° =720°

LAB 2 ĐƯỜNG TRUYỀN CƠ BẢN TRONG MIỀN TẦN SỐ

 Yêu cầu: sử dụng phần mềm SPICE để tìm hiểu sóng sin trên đường truyền

không suy hao

 Mục tiêu: 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

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 tinh 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

Câu hỏi 4: Tại tần số 1 GHz và vận tốc pha up = 2/3 c thì bước sóng trong

đường truyền bằng bao nhiêu?

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: VSWR= Vmax/Vmin , xác định VSWR, và từ VSWR tinh ||

Đồ thị được biểu diễn bằng PSPICE

1

Với chiều dài đường truyền thì TD = f = 1 ns

VSWR= Vmax/Vmin = 666.667/333.333= 2

VSWR− 1 1

||= VSWR+1 =3 =0.333

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, xácđịnh VSWR, từ VSWR tinh || VSWR và || trong 2 trường hợp trên có giông nhau không?

Đồ thị được biểu diễn bằng PSPICE.

VSWR= Imax/Imin = 13.333/6.667= 2

VSWR− 1 1

||= VSWR+1 =3 =0.333

Kết quả sau 2 lần tính là không đổi.

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

= = = VSWR = 1 = =2

Đồ thị biên độ trở kháng.

Đồ thị phần thực và phần ảo trở kháng.

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?

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.

Đồ thị biểu diễn liên hệ giữa cường độ điện áp và chiều dài đường truyền

- Có thể thấy khi tăng chiều dài, thời gian trễ tăng lên và cường độ điện

áp thay đổi liên tục có lặp lại với đồ thị hình sin

2.3 Ngắn mạch và quá tải trở kháng tải:

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?

Ở câu hỏi 4, cáp đồng trục có tần số f = 1GHz

Vì vậy nó có chiều dài 2 λ tại 2f= 2 * 1GHz=0.5GHz

Tương tự, nó có chiều dài 2.5 λ tại 2.5f = 2.5*1GHz=2.5GHz

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

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?

Đồ thị biểu diễn bởi PSPICEVSWR = Vmax/Vmin = 666.667/333.333= 2

Đồ thị này phù hợp với câu hỏi 6

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

trước có tải 100 Ω Từ đồ thị, tim giá trị VSWR? (Thay tải 100 Ω bằngtải 25Ω)

Ta thấy trên đồ thị Vmax = 666.667V, Vmin = 333.333V

VSWR =666.667/333.333=2

Ta thấy VSWR là như nhau với tải 100 Ω và 25 Ω

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

phương trình (2.6) và (2.7) tinh giá trị VSWR So sánh 2 kết quả với nhau (Thay tải bằng tải 0.001 Ω)

Ta thấy trên đồ thị Vmax = 1V, Vmin = 0V

Sau khi đối chiếu ta thấy đáp án là như nhau

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.(Thay tải bằng 1 MΩ, giống như hở mạch tải)

LAB 3 QUÁ ĐỘ TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN

3.1 Tải thuần trở

3.1.1 Hàm bước nhảy, phối hợp trở kháng.

- Tạo đường truyền 50 Ω với chiều dài (thời gian trễ) 25ns, và nguồn Thevenin10u(t), với trở kháng nguồn RG = 50 Ω, trở kháng tải RL= 50Ω

Sơ đồ mạch

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 thịnày

Đồ thị điện áp tại hai điểm đầu cuối của đường truyền:

Ta có hệ số phản xạ tại nguồn được tính như sau:

Zg− Z 0

g Zg + Z 0

 Không có sóng phản xạ tại nguồn và tải:

Điện áp tại đầu ống dẫn sóng là:

Vg Z 0

Vg ZG + Z

0

10.50 50+50 = 5 (V)

Điện áp tại tải( đầu ra ống dẫn sóng)

Vg ZL

VL ZG +

ZL

10.50 50+50 = 5 (V)

 Dựa vào tính toán và hình dạng đồ thị ta thấy rằng sóng ở nguồn và sóng tới cóbiên độ là 5V, sóng tới hình thành sau sóng ở nguồn 25ns do ống dẫn sóng có

độ trễ là 25ns

Quá trình phản xạ được minh họa bởi giản đồ Bounce:

ΓL=0, Γs=0:

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

=

=

ΓΓΓĐiện áp đầu cuối của đường truyền:

Ta có hệ số phản xạ tại nguồn được tính như sau:

10.50 50+50

= 5 (V)Điện áp tại tải( đầu ra ống dẫn sóng)

 Phù hợp với đồ thị sau khi mô phỏng

Quá trình phản xạ được minh họa bởi giản đồ Bounce:

ΓL=-3/7, Γs=0:

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

Thay đổi trở kháng tải trong trường hợp trên thành RL = 20 Ω, và thay trở kháng nguồn thành Rg = 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

Sơ đồ mạch:

Điện áp 2 điểm đầu cuối của đường truyền:

Ta có điện áp của nguồn lúc ban đầu đi vào đường truyền là:

Vg Z 0

Vg ZG + Z

0

10.50 200+50 = 2 (V)

Cứ tiếp tục tính toán với thời gian là bội của 25ns, sóng sẽ phản xạ qua lại tới mộtkhoảng thời gian ngắn sẽ đạt giá trị xác lập Dựa vào đồ thị ta thấy khoảng tầm

150 ns thì giá trị dần được xác lập và giá trị xác lập là:

Rg = 200 Ω, RL=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?

Sơ đồ mạch :

=1.143V t=3T/2=37.5ns V m =V - = -3/7.2= -0.857V t=2T=50ns V i =V - +V + =( L + g  L ).V +

= -1.371V t=5T/2=62.5ns V m =V + = -0.514V t=3T= 75ns V L = V + + V -

=( L  g + L2. g )V + = -0.294V t=7T/2=87.5ns V m = V - =  2  g V + = 0.2204V

Mất môt thời gian TD/2 = 12,5 ns để xung “ghost” đi từ phần trung gian giữa 2

đường truyền đến tải (đó chính là trễ lan truyền trên đường truyền thứ 2)

Độ rộng xung là 12,5ns

 Kết quả tính được phù hợp với những gì đã vẽ trên đồ thị

3.2.5 Xung dài

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?

Sơ đồ mạch:

Điện áp nguồn, điểm giữa và tải của đường truyền là:

Tính toán tương tự bài xung ngắn

Từ đồ thị trên ta có thể thấy sự chuyển đổi mức High xuống Low rõ ràng đối với điện áp trên tải và nguồn

3.3 Tải là phần tử tích cực.

Sơ đồ mạch gồ nguồn điện vg(t) = 10u(t), trở kháng nguồn Rg = 25Ω, đường truyền

có trở kháng đặc tính 50Ω và chiều dài 25ns

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

Đồ thị điện áp tại nguồn và tải:

R= L = 250 =49.41

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

và C = 100 pF mắc song song với nhau.

Sơ đồ mạch:

Đồ thị điện áp tại nguồn và tải: