BÁO cáo THÍ NGHIỆM SIÊU CAO tần và ANTEN

BÀI 1 :

PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG MIỀN TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN

1. Giới thiệu:
- Trong bài Lab này ta sẽ đi xây dựng một hệ thống điện tử thông tin gồm : bên phát
,bên thu và đường truyền, được sơ đồ hóa dưới dạng mạch điện
- Sử dụng phần mềm PSpice Student để xây dựng một mạch điện và mô phỏng mạch
điện đó.để tìm mối quan hệ giữa bên phát và bên nhận thông qua các thông số điện áp,
dòng điện…
- Kiểm tra kết quả và trả lời các câu hỏi.
2. Sơ đồ mạch điện.

2.1 Tạo một New simulation để vẽ dạng sóng của các thông số như điện áp, dòng điện…
cách thiết lập profile như sau :
- Chọn chế độ Acsweep.
- Tần số bắt đầu: 100Meg.
- Tần số kết thúc: 10G.
- Chọn thang Logarithmic.

Page 1


2.2 Dạng sóng:
a. Dòng và áp của nguồn( source):

b. Dòng điện và điện áp của tải( load):

Page 2

Giải thích dạng sóng của dòng điện nguồn và điện áp, dòng điện tải và điện áp:
Nhận xét:
- Tại tần số rất cao, điện áp và dòng điện của nguồn và tải gần như là không đổi.
Giải thích:
- Ta có:
=
Khi tăng tần số, dung kháng giảm đồng thời kéo theo trở kháng tải giảm xuống.sự thay
đổi của Zc dẫn đến sự thay đổi của hệ số phản xạ . Tải không tiêu thụ toàn bộ công suất từ
nguồn mà 1 phần mất do phản hồi trên đuờng truyền. Do đó áp trên tải giảm xuống. Bên
cạnh đó, khi ghép tải không phù hợp thì sự có mặt của sóng phản xạ cũng làm biên độ
sóng trên đường truyền thay đổi theo.
Ở tần số rất cao Zc= 0, và hệ số phản xạ =0. Vì vậy, điện áp nguồn và tải gần như là
không đổi (Vload ).
c.Thực hiện tất cả các thao tác sau đối với 2 trong 4 thông số ở câu a và b:
- R()
- Imag()
- phase()
- M()

:
:
:
:

phần thực
phần ảo
pha
độ lớn

- Cho điện áp nguồn (source):

+ Phần thực, phần ảo, pha, biên độ của điện áp nguồn (Vsource)

Page 3


- Cho điện áp tải (Load):
+ Phần thực, phần ảo, pha, biên độ của điện áp tải Vload

2.4. Vẽ đồ thị Bode
Vẽ đồ thị Bode cho Vsource và Vload:

Page 4


2.5 Lặp lại mô phỏng cho dãy tần từ 100Khz đến 100KHz. Vẽ đồ thị Bode cho cùng đầu
ra.

Đồ thị Bode của điện áp nguồn và tải cho dãy tần số từ 100kHz đến 100MHz
- Trong mạng thụ động, tại sao điện áp tải lớn hơn điện áp nguồn.
Trả lời : Điện áp tải cao hơn so với điện áp nguồn tại một số điểm ở tần số cao và bằng
với một số điểm tần số thấp là do tác động của đường truyền, tại tần số thấp tác động là
không đáng kể nhưng tại tần số cao chúng ta cần xét đến tác động của đường truyền. Vì
vậy đường truyền tác động đến mạch điện: Sự có mặt của tín hiệu phản xạ có thể bị giới
hạn trở lại từ tải trở về nguồn. Vì vậy khi tín hiệu phản xạ bị giới hạn lại có thể là nguyên
nhân dẫn đến điện áp tải lớn hơn điện áp nguồn tại một số tần số cao.
2.6 Thay nguồn VAC bởi nguồn sin VSIN.( chọn giá trị thích hợp cho biên độ và tần số,

cài đặt Offset bằng 0)

Page 5

Với f=0.5GHz T= =

= 2ns

Với số chu kỳ sóng yêu cầu là 5 chu kì thời gian thực hiện mô phỏng t=5*2ns = 10ns;
Ta thiết lập mô phỏng:
- Chọn mô phỏng dựa vào miền đáp ứng thời gian.
-Thời gian thực hiện là 10ns, dữ liệu bắt đầu từ 0ns và kích thước tối đa 0.01ns

Dạng sóng nguồn và tải cho 5 chu kì sóng.
Tại tần số 0.5GHz với các giá trị đường truyền như ta đã chọn thì sóng ở tải trễ pha 180o
Chứng minh: Thời gian trễ của đường truyền là TD=1ns.
Thời gian trễ ttrễ =1ns.
Chu kì tín hiệu là Tchu kì =2ns
Suy ra: trễ pha Өtrễ=(ttrễ/Tchu kì).360o = (1/2).360o = 180o

Page 6


Đồ thị trên cho thấy sự trễ pha π (tương ứng với 180 độ). Bởi vì thời gian trễ trên đường
truyền là 1ns tương ứng với 1/2 thời gian của 1 chu kỳ tín hiệu. Do đó điện áp tải trễ so
với điện áp nguồn 1/2 chu kỳ.

Page 7


ĐƢỜNG TRUYỀN CƠ BẢN TRONG MIỀN TẦN SỐ

BÀI 2:

1. Giới thiệu:
- Ở bài lab này, chúng ta sẽ sử dụng phần mềm SPICE để khảo sát sóng sin trên đuờng
truyền ko suy hao.
- Mục tiêu của bài Lab là giúp chúng ta làm quen với sóng phản xạ cơ bản từ tải và so
sánh các mô phỏng với giá trị tính toán bằng giản đồ Smith.
- Từ kết quả mô phỏng được xác định tỷ số sóng đứng VSWR, hệ số phản xạ Γ tại tải
rồi so sánh với kết quả tính toán lý thuyết.
2. Mô hình đƣờng truyền cơ bản:
- T là một đường truyền không tổn hao với các thông số sau :
- Z0 là trở kháng đặc tính
- TD là thời gian trễ (time delay) ,chính là chiều dài của đường truyền trên một đơn vị
thời gian
Gọi : L là chiều dài đường truyền,
up là vận tốc pha của sóng trên đường truyền thì L=upTD (2.1)
Với L’là độ tự cảm trên một đơn vị chiều dài, và C’dung kháng trên một đơn vị chiều dài
Thì ta có:
up =

(2.2)

Zo =

(2.2)

2.2.1 Cáp đồng trục
Đối với cáp đồng trục thông thường RG-58, trở kháng đặc tính là Z0 = 50 Ω và vận
tốc pha Up =2 / 3 c. (Lưu ý: c = tốc độ của ánh sáng 3
m / s)

Câu hỏi 1:
Đối với đường dây truyền tải như vậy, các điện cảm và điện dung trên mét bằng bao
nhiêu?
Từ công thức (2.2) và( 2.3) ta suy ra:

Do đó:
và :
suy

ra:

Page 8


Đối với loại cáp đồng trục không tổn hao, các công thức sau đây liên quan đến điện cảm L
và điện dung Cvới bán kính của dây dẫn bên trong a và dây dẫn bên ngoài b:

Câu hỏi 2:
Đối với một cáp đồng trục khác nhau, μ = μ0 và ε = 3ε0. Tính b/a
nếu Z0 = 50 Ω?
Trả lời: từ công thức tính L’,C’ ta suy ra

=>

Vì vậy:

Câu hỏi 3:
Nếu b = 3 mm trong câu hỏi 2, thì a bằng bao nhiêu?
Trả lời: Nếu b = 3 mm trong câu hỏi 2, thì
2.2 Mô phỏng đƣờng truyền

Sử dụng SPICE, tạo một nguồn Thevenin với biên độ điện áp là 1V, trở kháng nguồn
là 50Ohm. Dẫn đên đường truyền dạng T và nối với tải 100Ohm. Chỉnh sử đường truyền
để có trở kháng đặc tính là 50Ohm. Ngoài ra, tạo nhãn vào và tải tại các điểm đầu của
đường truyền để có thể đo điện áp thuận tiện.
Sơ dồ mạch:

Page 9


Điều chỉnh độ dài của dây dẫn và kiểm tra lại mô hình sóng đứng ở đầu vào trên 1 bước
sóng đầy đủ ở tần số 200MHz
Câu hỏi 4: Ở tần số 200 MHz, và với
, bước sóng trong đường truyền bằng
bao nhiêu?
Trả lời: bước sóng trong đường truyền được tính bằng công thức:

Câu hỏi 5: Thời gian trễ kết hợp với λ/16 bằng bao nhiêu? (Với
Trả lời: Thời gian trễ ứng với λ/16 là:

TD

L
up

L
f

)

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

có chiều dài 0, λ/16, 2λ/16, ..., 15λ/16, λ..
Minh họa chiều dài đường truyền thay đổi cho phần 2.2

Page 10


Sử dụng Excel,tạo một bảng biên đô điện áp và biên độ dòng điện ở các node “Input” và
“Load” cho mỗi chiều dài đường truyền.

Câu hỏi 6: Sử dụng PSPICE, Excel, hoặc Matlab để vẽ cường độ của điện áp tại đầu
“input” với chiều dài đường truyền. Từ các giá trị điện áp trênđồ thị và phương trình
VSWR =
, xác định VSWR, và từ VSWR tính | |.
Trả lời: Từ các giá trị điện áp trên đồ thị dạng sóng phương trình như hình vẽ:

Page 11


Câu hỏi 7: Sử dụng PSPICE, Excel, hoặc Matlab để vẽ cường độ của dòng điện tại đầu
“input” với chiều dài đường truyền. từ các giá trị dòng điện trên đồ thị, xác định VSWR,
từ VSWR tính | |

Suy ra:
VSWR

I max
I min

13.3333mA
6.6667 mA

2

|

|

VSWR 1
VSWR 1

2 1
2 1

1
3

0.3333

Page 12


Nhận xét: VSWR và | | trong 2 trường hợp trên giống nhau.
Câu hỏi 8: Vẽ độ lớn của trở kháng với chiều dài đường truyền sử dụng dữ liệu thu thập
từ PSPICE.

2.3 Ngắn mạch và quá tải trở kháng tải.
SPICE là một công cụ tốt để quét tần số, nhưng không thể trực tiếp quét chiều dài của
đường truyền“electrical length” của đường truyền là βl .
l

2

l

2 f
l
up

Vì vậy, việc thay đổi chiều dài của một đuờng truyền từ l đến 10l có tác dụng như quét
tần số từ 10f đến f. Hoặc có 1 cách khác, nếu 1 đuờng truyền là 1 λ tại fo thì khi nó là 0.5
λ là 0.5fo và 2 λ tại 2fo
Câu hỏi 11: Nếu ta có 1 mét cáp đồng trục như ở trong câu hỏi 4, thì tần số của nó tại
chiều dài λ/2, 2.5λ là bao nhiêu? (chú ý rằng ta không được thay đổi chiều dài vật lý của
đường truyền)
Trả lời : Cáp đồng trục trong câu hỏi 4 có tần số f = 200MHz
Vì vậy, nó có chiều dài0.5 tại 0.5f =0.5x200MHz =100MHz
Và nó có chiều dài 2.5 tại 2.5 f 2.5 X 200 MHz 500 Mhz
Sử dụng 1m chiều dài đường truyền, chỉnh mô phỏng SPICE của ban, quét trực tiếp tần số
từ 0.5 đến 2.5

Page 13


Câu hỏi 12: Vẽ dạng sóng điện tại “input” ứng với các chiều dài khác nhau (có thể điều
chỉnh thay đổi tần số)? VSWR bằng bao nhiêu?

Đồ thị này phù hợp với đồ thị trong câu hỏi 6.
Tính VSWR:
Vmax = 666.667mV
Vmin = 333.333mV VSWR

Vmax
Vmin

666.667 mV
333.333mV

2

Page 14


Thay thế tải 25 Ω cho tải 100 Ω.
Câu hỏi 14: Vẽ dạng sóng biên độ của điện áp vào. Từ biểu đồ dạng sóng, Tính VSWR.
Từ các phương trình (2.6) và (2.7) Tính VSWR. So sánh hai kết quả?

Tính VSWR:
Vmax = 666.667mV
Vmin = 333.333mV
VSWR

Vmax
Vmin

666.667 mV
333.333mV

2

VSWR là như nhau cho các trường hợp 100Ω và 25Ω .

- Thay tải bằng 0,001 Ω, giống như ngắn mạch tải (TH ngắn mạch ).
Câu hỏi 15: Vẽ dạng sóng biên độ của điện áp vào. Từ biểu đồ dạng sóng, Tính VSWR.
Từ các phương trình (2.6) và (2.7) Tính VSWR. So sánh hai kết quả?

Page 15


Tính VSWR:
+ Từ đồ thị: Vmax = 1V Vmin = 0V

VSWR

+ Từ công thức (2.6) and (2.7): | | =

=

Vmax
Vmin

1V
0V

VSWR=

=

- Thay tải bằng 1 mega ohm (TH hở mạch )
Câu hỏi 16: Vẽ cường độ điện áp vào. Từ đồ thị, tính VSWR. Từ các phương trình
(2.6) và (2.7) Tính VSWR. So sánh hai kết quả?

Tính VSWR:
Từ đồ thị: Vmax = 1V Vmin = 0V
106
Vmax 1V
VSWR

| | =

=

= 1

Vmin

0V

VSWR=

=

Hai VSWR ở câu 15 và 16 là như nhau. Đồ thị được vẽ trong câu 14,15 giống nhau về
biên độ tần số dịch 50MHz

Page 16


QUÁ ĐỘ TRÊN ĐƢỜNG TRUYỀN

BÀI 3:
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. Trong bài 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
3.2.1 Hàm bƣớc nhảy, phối hợp trở kháng tải.

- Trước tiên, tạo một đường truyền có trở kháng 50 với tổng chiều dài (thời gian trễ)
là 25ns, và cung cấp cho nó nguồn Thevenin 10u(t) có trở kháng nguồn Rg=50. Trở
kháng tải RL=50 ,sau đó chạy mô phỏng

Câu hỏi 1: Vẽ điện áp tại 2 điểm đầu và cuối của đường truyền trong khoảng thời gian t
= 0..50 ns
Giải thích:Hệ số phản xạ tại nguồn là:
g

Rg

Z0

Rg

Z0

50 50
50 50

0

Hệ số phản xạ tại tải là:

Vậy không có sóng phản xạ điện áp tại nguồn và tải.
VL
VL

Vg Z L
Rg

ZL

10.50
50 50

5( V )

5 (V) sau 25ns (thời gian trễ của đường truyền.)

Page 17


3.2.2 Hàm bƣớc nhảy, không phối hợp trở kháng.
Thay trở kháng tải thành RL=20
Câu hỏi 2: Vẽ điện áp tại điểm đầu và cuối của đường truyền trong khoảng thời gian t=0
..100ns.

Giải thích:
Hệ số phản xạ tại nguồn vả tải lần lượt là:
=
=
g=

L=
V1 + =

V

Tại t = T = 25ns, sóng phản xạ tại tải V1- = L.V+1 = -3/7*5= -15/7V
Vì vậy, điện áp tại tải là tổng của hai sóng: V= V1++V1+ =5-15/7= 2.857V
Tại t = 2T = 50ns, sóng trở lại nguồn do g 0 , không có sóng phản xạ biên độ điện áp
V2

+

-

+

0 . Như vậy, điện áp tại nguồnlà: V =V1 +V1 +V2 =2.857V

Page 18


Tại t = 3T = 75ns, sóngđến tải, do L= -3/7 sóng phản ánh với biên độ: V2- =V2+.
Nên điện áp tại tải V=V1+ +V1+ +V2+ +V2- = 2.857V
Tương tự t=4T= 100ns điện áp tại nguồn V=2.857V

L=0V

3.2.3 Hàm bƣớc nhảy, không phối hợp trở kháng tải và nguồn.
Thay trở kháng tải là 20 trở kháng nguồn 200
Câu hỏi 3:Vẽ điện áp tại 2 điểm đầu cuối của đường truyền trong khoảng thời gian

t=0..300ns

Giải thích:
=
g=

L

=

=

V1 + =

V

Tại t = T = 25ns, sóng phản xạ tại tải V1- = L.V+1 = -3/7*2= -6/7V
Vì vậy, điện áp tại tải là tổng của hai sóng: V= V1++V1+ =2-6/7= 1.1428V
Tại t = 2T = 50ns, sóng trở lại nguồn ,sóng phản xạ biên độ điện áp V2+ =
=

g.V1

-

=

. Như vậy, điện áp tại nguồnlà: V =V1++V1-+V2+ =2-6/7-18/35 = 0.6286V

Page 19

Tại t =3T= 75ns, sóng đến tải, do
-3/7 sóng phản ánh với biên
L=
+
=V2 . L=
Nên điện áp tại tải V=V1+ +V1+ +V2+ +V2- = 2-6/7-18/35+54/245= 0.849V
Tương tự t=4T= 100ns điện áp tại nguồn V=0.981V
t=5T=125ns điện áp tại tải V=0.9812V
t=6T=150ns điện áp tại nguồn V= 0.89V
t=7T=175ns điện áp tại tải V= 0.905V
t=8T=200ns điện áp tại nguồn V= 0.914V

độ:V2-

3.2.4 Xung ngắn.
Thay đường truyền thành 2 đường truyền bằng nhau, tổng chiều dài 25ns, trở kháng đặc
tính Zo=50 . Sử dụng xung vg(t) = 10(u(t)-u(t-10ns))

Câu hỏi 4: Vẽ dạng sóng điện áp ở nguồn,điểm giữa,cuối tải của đường truyền ở t =
0…100 ns.

Page 20


Giải thích:

g=

=

L

=

=

V1+ =

V

t=0ns Vs=V1+ =2V
t=T/2 =12.5ns Vm=V1+=2V
t=T=25ns VL =V1++ L.V1+=(1-3/7).2 = 1.143V
t=3T/2=37.5ns Vm=V1- = -3/7.2= -0.857V
t=2T=50ns Vi=V1- +V2+=( L+ g. L).V1+ = -1.371V
t=5T/2=62.5ns Vm =V2+ = -0.514V
t=3T= 75ns VL= V2+ + V2-=( L. g+ L2. g)V1+ = -0.294V
t=7T/2=87.5ns Vm= V2- = L2. g.V1+= 0.2204V
KL: mất 12.5ns thì xung “Ghost” đến tải.
2.2.5 Xung dài.
Ở bài trên ta dùng xung ngắn (10ns) so với chiều dài dây dẫn (25ns).Bây giờ kiểm
tra với hệ thống phức tạp hơn.
Sử dụng xung dài có các thông số như hình.

Page 21


Câu hỏi 5 :

Sự chuyển đổi từ “high” xuống “low” tại tải rõ ràng.
3.3 Tải là phần tử tích cực.

Sử dụng nguồn vg(t) = 10u(t), Rg=25

,đường truyền có Z0=50

và TD= 25ns.

Câu hỏi 6: Đầu cuối tải là một tụ điện 1 nF .vẽ điện áp ở nguồn và cuối tải của đường truyền với
t = 0…600ns.

Page 22


: Đối với mạch điện dung.
: Đối với mạch điện cảm

Vinitial =0V Vfinal=12.132V

t=(75-25) =50ns

=

=41.24ns

R=
Câu hỏi 7: Thay tụ điện bằng cuộn cảm L=0.25 μH lặp lại câu hỏi trên.

Page 23


Đồ thị

Page 24


Page 25