Tài liệu Báo cáo thí nghiệm siêu cao tần

Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Lab1: PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG MIỀN TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN 1: Giới thiệu: -Sử dụng 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 trên theo yêu cầu của bài thí nghiệm 1.2: Vẽ đồ thị: Câu 1.9: Các thông số a. Dòng và điện áp của nguồn b. Dòng và điện áp của tải c. 4 thông số phần thực , phần ảo, biên độ và pha của: -2- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần -Điện áp nguồn: -3- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Dòng điện của nguồn 1.11: Đồ thị Bode của điện áp nguồn và tải: a. Dải tần quét từ: 100MHz tới 10GHz -Đồ thị Bode của Vsoure và Vload bằng cách vẽ 20*LOG10(điện áp ) -4- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần b. Dải tần quét từ:100KHz tới 100MHz 1.12: Trong mạng thụ động này tại sao điện áp tải lại cao hơn điện áp nguồn? Trảlời: Vì trong sơ đồ mạch này, tải không thuần trờ. Thành phần tải Z có gi á trị thay đổi theo tần số nên giá trị tổng tải thay đổi theo tần số. Điều này dẫn tới sự thay đổi của hệ số phản xạ tại tải. Ảnh hưởng của tín hiệu phản xạ từ tải về nguồn tăng theo tần số nên giá trị điện áp tải cao hơn điện áp nguồn. 1.13: Thay nguồn AC bằng nguồn SIN Đồ thị dạng song của điện áp nguồn và tải trong 5 chu kì song tại tần số 0,5GHz f=0,5GHz  T=1/f=1/0.5*10^9=2ns Bài thí nghiệm yêu cầu vẽ đồ thị điện áp nguồn và tải trong 5 chu kì song với tần số 0,5GHz thiết lập thời gian quét từ 0->10ns. -5- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần 1.13: Với các giá trị đường truyền như ta đã chọn thì trễ pha là bao nhiêu độ ? Trảlời: Ta có độ trễ của đường truyền là 1ns. Chu kì tín hiệu là 2ns. Trễ pha được tính theo công thức:  Delay  t Delay TPeriod LAB 2  360  180 ĐƯỜNG TRUYỀN CƠ BẢN TRONG MIỀN TẦN SỐ 1.Giới thiệu: -Nội dung: Sử dụng phần mềm PSPICE mô phỏng truyền sóng sin trên đường truyền không tổn hao. -Mục đích: Hiểu rõ hơn về quá trình phản xạ sóng trên đường truyền, so sánh kiểm chứng giữa kết quả mô phỏng và kết quả tính toán theo giản 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: L = UpTD (2.1) Với Up là vận tốc pha của sóng trên đường 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 : (2.2) -6- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần (2.3) 2.1.1 : Cáp đồng trục Cáp đồng trục RG-58, có trở kháng đặc tính Z0 = 50 Ω và vận tốc pha up = 2/3c. (c là tốc độ ánh sáng, c = 3.10^8 m/s). Câu hỏi 1:Đối với đường truyền trên thì điện cảm và điện dung trên một mét là bao nhiêu? Trả lời:Dựa vào cách tính trở kháng đặc tính Z0 và vận tốc pha up ở trên ta có: 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: (2.4) (2.5) Câu hỏi 2: Cho cáp đồng trục cóµ=µ0 và ε = 3ε0. Tính b/a biết Z0=50Ω. Trả lời: Ta có: Suy ra: Vậy tỉ lệ Câu hỏi 3: Trong câu hỏi 2, nếu b = 3mm thì a bằng bao nhiêu ? Trả lời: Từ kết quả câu hỏi 2 : b/a=4,233 Suy ra : a = b/4,233=3/4,233 = 0,709(mm) 2.2 : Mô phỏng đường truyền. Sử dụng phần mềm PSPICE, vẽ sơ đồ mạch như hình : -7- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Ta sẽ khảo sát một vài thông số đường truyền tại tần số 200Mhz. Câu hỏi 4: Ở tần số 200Mhz, vận tốc pha Up=2/3 c thì độ dài bước sóng trên đường truyền là bao nhiêu ? Trả lời : Độ dài bước sóng Câu hỏi 5: Tại độ dài bước sóng bằng λ/16 thì thời gian trễ TD là bao nhiêu? Trả lời: Ta có: Sử dụng PSPICE để mô phỏng đáp ứng của đường truyền với các độ dài khác nhau, từ 0, λ/16, 2λ/16, …, 15λ/16, λ. Ta thấy rằng độ dài đường truyền L tỉ lệ bậc nhất với thời gian trễ TD theo công thức TD  L L  up   f hay L = TD . up (để ý trường hợp này up là hằng số) Do đó nếu muốn khảo sát hàm Vinput (L) ta có thể khảo sát hàm Vinput ( TD) Dùng Excel lập bảng giá trị điện áp – dòng điện tại Input và Load: Câu hỏi 6: Sử dụng PSPICE, EXCEL, hay matlab để vẽ cường độ dòng điện tại ‘Input’ với chiều dài đường truyền . Từ những giá trị điện áp trên đồ thị và phương trình : VSWR= , xác định VSWR, và từ VSWR tính ||. Trả lời: -8- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Chạy mô phỏng , để vẽ đồ thị điện áp V input (TD) , chọn Trace / Add trace --> V(INPUT) 700mV 600mV 500mV 400mV 300mV 0 V(INPUT) 0.5n 1.0n 1.5n 2.0n 2.5n 3.0n 3.5n 4.0n 4.5n 5.0n delay Dùng Toggle cursor để đánh dấu Vmax và Vmin Vmax = 666.667mV Vmin = 333.333mV VSWR  Vmax 666, 667 = = 2. Vmin 333,333 1   Để tính || ta suy ra từ công thức : VSWR  1  ||= VSWR  1 2  1   1/3 = 0.3333 VSWR  1 2  1 Câu hỏi 7: Sử dụng PSPICE, EXCEL, hay matlab để vẽ cường độ dòng điện tại ‘Input’ với chiều dài đường truyền . Từ những giá trị điện áp trên đồ thị xác định VSWR, từ VSWR tính ||. VSWR và || có giống nhau không? Trả lời: Đồ thị bên dưới là của Iinput theo TD -9- Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Dùng Toggle cursor để đánh dấu Imax và Imin Imax = 13.333mA Imin = 6.6667mA VSWR  ||= I max 13.333   2 I min 6.6667 VSWR  1 2  1   1/3 = 0.3333 VSWR  1 2  1 Nhận xét: VSWR và || tính bởi điện áp (câu hỏi 6) hay dòng điện (câu hỏi 7) đều ra kết quả như nhau. 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 dụng PSPICE. Trả lời: - 10 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần - Đồ thị độ lớn của trở kháng ngõ vào theo hàm của thời gian trễ TD -Đồ thị phần thực của trở kháng ngõ vào theo hàm thời gian trễ TD -Đồ thị phần ảo của trở kháng ngõ vào theo hàm thời gian trễ TD - 11 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần 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 không? VSWR   1  1  (2.6) ZL  Z0 ZL  Z0 (2.7) Trả lời:  Z L  Z 0 0.001  50   1/3 Z L  Z 0 0.001  50 VSWR  1  1  = 11/ 3 =2 11/ 3 Kết quả tính theo công thức này hoàn toàn phù hợp với kết quả tính ở các câu hỏi 6,7,8. 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 . Trả lời: -Đồ thị điện áp trên tải: - 12 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần 666.6666877mV 666.6666837mV 666.6666797mV 666.6666757mV 666.6666717mV 666.6666680mV 0 V(LOAD) 0.5n 1.0n 1.5n 2.0n 2.5n 3.0n 3.5n 4.0n 4.5n 5.0n delay Ta thấy rằng điện áp trên tải thay đổi rất bé ( dưới 0.1 m V) , xem như là không đổi theo chiều dài của đường truyền. Từ đó nhận xét rằng: điện áp không đổi, tải không đổi, do đó công suất đưa đến trên tải cũng sẽ không đổi , tức không phụ thuộc chiều dài đường truyền. Điều này hợp lí vì đường truyền đang xét là không tổn hao -Đồ thị công suất trên tải theo hàm của TD : 4.444444554mW 4.444444534mW 4.444444514mW 4.444444494mW 4.444444474mW 4.444444454mW 4.444444440mW 0 W(ZL) 0.5n 1.0n 1.5n 2.0n 2.5n 3.0n 3.5n 4.0n 4.5n delay Ta thấy công suất trên tải hầu như không đổi (thay đổi dưới 0.1 m W). 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 của đường truyền. “electrical length” của một đường truyền bằng βl. l  2 2f l l  u p (2.8) Vì vậy, việc thay đổi chiều dài đường truyền từ l đến 10l cũng giống như quét - 13 - 5.0n Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần tần số từ 10f đến f. Hay nói cách khác, nếu chiều dài đường truyền bằng 1 λ tại tần số chiều dài bằng 0.5 λ tại 0.5 thì và 2 λ tại 2 Câu hỏi 11: Nếu ra có 1m 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 ). Trả lời: Cáp đồng trục trong câu hỏi 4 hoạt động ở tần số 200Mhz Để “electrical length” của nó là λ/2 thì tần số sẽ là f/2 = 200/2 = 100Mhz Để “electrical length” của nó là 2,5λ thì tần số sẽ là 2,5f = 2,5 . 200 = 500Mhz. Sử dụng PSPICE mô phỏng, quét tần số từ 0.5 đến 2.5 lần bước sóng ( không thay đổi độ dài đường truyền). Ta thay đổi tần số để đem lại kết quả như thay đổi độ dài đường truyền. 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 Ωbằng 25Ω Trả lời: Đồ thị độ lớn điện áp ngõ vào Input với dải tần từ 100Mhz tới 500Mhz - 14 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần 700mV 600mV 500mV 400mV 300mV 80MHz 120MHz V(INPUT) 160MHz 200MHz 240MHz 280MHz 320MHz 360MHz 400MHz 440MHz 480MHz 520MHz Frequency Dùng chức năng Toggle cursor để đánh dấu lấy Vmax và Vmin Vmax = 666,667mV Vmin = 333,333mV VSWR  Vmax 666, 667 = = 2. Vmin 333,333 Thay đổi trở kháng tải từ 100 Ω về 25 Ω Câu hỏi 13: Vẽ cường độ điện áp tại “Input”, và so sánh với trường hợp trước có tải bằng 100Ω. Từ đồ thị, tìm giá trị VSWR? Thay tải bằng 0.001Ω , giống như ngắn mạch tải. Trả lời: Đồ thị độ lớn điện áp tại ngõ vào Input 700mV 600mV 500mV 400mV 300mV 80MHz 120MHz V(INPUT) 160MHz 200MHz 240MHz 280MHz Từ đồ thị thấy : Vmax = 666,667mV Vmin = 333,333mV VSWR  320MHz Frequency Vmax 666, 667 = = 2. Vmin 333,333 - 15 - 360MHz 400MHz 440MHz 480MHz 520MHz Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Vậy VSWR trong hai trường hợp tải là 100Ω và 25Ω là như nhau. Thử ngắn mạch phía tải bằng cách thay trở kháng tải bằng 0.001 Ω. Câu hỏi 14: Vẽ cường độ điện áp tại “Input”. Từ đồ thị xác đinh VSWR. Từ phương trình (2.6) và(2.7) tính giá trị VSWR. So sánh 2 kết quả với nhau. Thay tải bằng 1MΩ giống như hở mạch tải. Chú ý ( trong PSPICE, MEG = “mega”, M = “milli”). Trả lời: Đồ thị độ lớn điện áp tại Input 1.0V 0.8V 0.6V 0.4V 0.2V 0V 80MHz 120MHz V(INPUT) 160MHz 200MHz 240MHz 280MHz 320MHz 360MHz 400MHz 440MHz 480MHz 520MHz Frequency Từ đồ thị thấy : Vmax = 1V Vmin = 20uV VSWR  Vmax 1V = = 50000. Vmin 20uV Nếu tính theo công thức (2.6) và (2.7) thì:  Z L  Z 0 0.001  50   1. Z L  Z 0 0.001  50 VSWR  1  1  = 11 � 11 Kết quả tính được theo công thức và theo đồ thị là phù hợp với nhau, có sai số là do quá trình xấp xỉ tính toán gần đúng. Thay thế tải bởi giá trị 1 MΩ để tạo trường hợp hở mạch Câu hỏi 15: Vẽ cường độ điện áp tại “Input”.Từ đồ thị, xác định VSWR. Tính giá trị VSWR từ phương trình (2.6) và (2.7),. So sánh 2 kết quả với nhau. Trả lời: Đồ thị độ lớn điện áp tại Input: - 16 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần 1.0V 0.8V 0.6V 0.4V 0.2V 0V 80MHz 120MHz V(INPUT) 160MHz 200MHz 240MHz 280MHz 320MHz 360MHz 400MHz 440MHz 480MHz 520MHz Frequency Từ đồ thị thấy : Vmax = 1V Vmin = 93uV VSWR  Vmax 1V = = 50000= 10752 Vmin 93uV Nếu tính theo công thức (2.6) và (2.7) thì: Z L  Z 0 106  50    0.9999 Z L  Z 0 106  50 VSWR  1  1  = 1  0.9999  19999 1  0.9999 Kết quả tính ra VSWR là rất lớn, có thể xem như �, còn chênh lệch trong 2 trường hợp trên là do số điểm hữu hạn trên đồ thị (đồ thị không liên tục) và sai số do lấy gần đúng khi tính toán. Điều quan trọng là VSWR có được rất lớn. Lab 3: QUÁ ĐỘ TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN 3.1: Giới thiệu - 17 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Trong bài thí nghiệm trước chúng ta đã tập trung tìm hiểu về đường truyền không tổn hao, thử nghiệm trong truyền sóng sin. Quá trình này khảo sát trên thực tế khó và phức tạp hơn nhiều, trong bài TN số 2 này sẽ khảo sát quá trình truyền với nguồn không phải sóng sin, và một số trường hợp tải không thuần trở. 3.2: Tải thuần trở : Dùng PSPICE khảo sát quá trình lan truyền của một xung trên đường truyền nối với tải thuần trở. 3.2.1: Hàm bước nhảy,phối hợp trở kháng tải Đầu tiên tạo một đường truyền có trở kháng đặc tính Z 0 = 50  , thời gian trễ TD = 25ns, gắn với nguồn Thevenin 10u(t) , điện trở nguồn Rg = 50  . Phía tải có trở RL = 50  , chạy mô phỏng. Chú ý tạo nguồn VPWL, để tạo giá trị 10 u(t) cho nguồn thì đặt các thông số: V1=0, V2=10, V3=10, V4=0 T1=0, T2=0.001ns, T3=50ns T4=50.001ns . Câu hỏi 1: Vẽ điện áp tại 2 điểm đầu cuối của đường truyền tong khoảng thời gian t=0….50 ns . Sử dụng sự hiểu biết về “ bounce diagrams” , giải thích đồ thị . Trả lời: Đồ thị điện áp tại nguồn và tải: - 18 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Giải thích: Ta tính điện áp tại tải theo lý thuyết: Xét hệ số phản xạ tại nguồn và tải: g  L  Rg  Z 0 Rg  Z 0  50  50 0 50  50 RL  Z 0 50  50  0 RL  Z 0 50  50 Do đó sẽ không có sóng phản xạ tại nguồn và tải, nên điện áp tại tải là: VL  Vg Z L Rg  Z L  10.50  5( V ) 50  50 D L Sau thời gian trễ lan truyền của đường truyền T là 25ns thì V = 5V Kết quả tính được và đồ thị mô phỏng hoàn toàn trùng khớp với nhau. 3.2.2: Hàm bước nhảy không phối hợp trở kháng: Bây giờ thay đổi điện trở tải thành 20  . - 19 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Câu hỏi 2: Vẽ điện áp tại 2 điểm đầu cuối của đường truyền tong khoảng thời gian t= 0….100 ns . Sử dụng sự hiểu biết về “ bounce diagrams” , giải thích đồ thị . Trả lời: Đồ thị điện áp tại nguồn và tải: Giải thích: Ta tính điện áp tại tải theo lý thuyết: Xét hệ số phản xạ tại nguồn và tải: g  L  Rg  Z 0 Rg  Z 0  50  50 0 50  50 RL  Z 0 20  50 3   RL  Z 0 20  50 7 Điện áp sóng tới đi vào đường truyền:  Vl  Vg Z 0 Rg  Z 0  10.50  5( V ) 50  50 - 20 - Báo cáo thí nghiệm Siêu cao tần Tại t = TD = 25ns, sóng lan truyền đến tải z = l, mà hệ số phản xạ tại tải  L   3 nên sẽ 7 xảy ra hiện tượng phản xạ sóng, biên độ sóng phản xạ :  Vl  L .Vl   15 (V ) 7 Điện áp trên tải lúc này là tổng của hai sóng: sóng tới và sóng phản xạ   V L  Vl  Vl  5  15 20   2.86( V ) 7 7 Tại t = 2TD = 50ns, sóng phản xạ đã lan truyền ngược trở lại về nguồn (z = 0), mà hệ số phản xạ sóng tại nguồn g  0 , tức sẽ không có sóng phản xạ lần 2 (từ nguồn phản xạ ra lần nữa). Do đó, điện áp trên đường truyền ở phía nguồn là:   VS  Vl  Vl  5  15 20   2.86( V ) 7 7 Do không có sóng phản xạ lần 2, nên sau các khoảng thời gian trễ nT D nữa thì VL và VS vẫn giữ ở mức 2,86V. Vậy sau 2TD = 50ns thì điện áp ở 2 đầu đường truyền xác lập ở 2,86V Quan sát trên đồ thị thấy kết quả tính toán và đồ thị hoàn toàn phù hợp với nhau, sau 50ns thì giá trị của Vsource và Vload là trùng nhau 3.2.3: Hàm bước nhảy không phối hợp trở kháng tải và nguồn : Bây giờ thay đổi điện trở tải RL=20  , điện trở nguồn Rg=200  . Câu hỏi 3: Vẽ điện áp tại 2 điểm đầu cuối của đường truyền tong khoảng thời gian t= 0….300 ns . Sử dụng sự hiểu biết về “ bounce diagrams” , giải thích đồ thị . Trả lời: - 21 -