BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN SIÊU CAO TẦN VÀ ĂNG TEN, PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG MIỀN TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN

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 AC Sweep
- Tần số bắt đầu :100MEG
- Tần số kết thúc : 10G
- Chọn thang Logarithmic

2.2 Dạng sóng:
a. Dòng và áp của nguồn( source):
Page 1


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

**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 đường 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 .
c.Thực hiện tất cả các thao tác sau đối với 2 trong 4 thông số ở câu a và b:
- R() :
phần thực
- Imag():
phần ảo
- phase():
pha
- M() :
độ lớn
Page 2


•

Cho điện áp nguồn (source) :

Phần thực, phần ảo, pha, biên độ của điện áp nguồn( Vsource)
• Cho điện áp tải( Vload):

Phần thực, phần ảo, pha, biên độ của điện áp tải( Vload)
2.3 Dùng “ Toggle Cursor” đánh dấu 2 điểm khác nhau:

Page 3


2.4. Vẽ đồ thị Bode cho Vsource và Vload:

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

Page 4


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 từ tải trở về nguồn. Vì vậy khi tín hiệu phản
xạ xuất hiện có thể là nguyên nhân dẫn đến điện áp tải lớn hơn điện áp nguồn tại một số tần số
cao.
1.2.6 Thay nguồn VAC bởi nguồn sin VSIN.( chọn giá trị thích hợp cho biên độ và tần số, cài đặt
Offset bằng 0)

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

Page 5


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
Trễ pha: Өtrễ =(ttrễ/Tchu kì).360o = (1/2).360o = 180o
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.
Bài 2: ĐƯỜNG TRUYỀN CƠ BẢN TRONG MIỀN TẦN SỐ
1.Giới thiệu:
- Ở bài lab này, chúng ta sẽ sử dụng phần mềm SPICE để khảo sát sóng sin trên
đuờng truyền không 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.
2.Mô hình đường 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:

Đối với loại cáp đồng trục không tổn hao, các công thức sau đây liên quan đến điện cảm L
và điện dung C với 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
=>
Page 6


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 đường truyền.
Sử dụng SPICE, tạo một nguồn Thevenin với biên độ điện áp là 1 Vôn, trở kháng nguồn là 50Ω.
Dẫn đến đường truyền dạng T, và nối với tải 100Ω.
Chỉnh sửa đường truyền để có trở kháng đặc tính là 50Ω.
Ngoài ra , tạo nhãn vào và tải tại các điểm đầu của đuờng truyền để đo điện áp thuận tiện.
ZG

Sơ đồ mạch cho phần 2.2

In p u t

T1

ZL

Load

50

1Vac
0Vdc

100
Z0 = 50
T D = { d e la y }

VG

P A RA M E T E RS :

0

0

d e la y = 5 n s

0

0

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:
TD =

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:

L
L
=
up λ ⋅ 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

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.

Page 7


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 trên đồ thị và phương trình
VSWR = , xác định VSWR, và từ VSWR tính |Γ|.
Trả lời: Từ các giá trị điện áp trên đồ thị dạng sóng phương trình:
Vmax = 666.667mV
Vmin = 333.333mV
V
666.667 mV
VSWR − 1 2 − 1 1
VSWR = max =
=2
| Γ |=
=
= ≈ 0.3333
Vmin 333.333mV
VSWR + 1 2 + 1 3

Page 8


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 |
Γ|

Imax = 13.3333mA
VSWR − 1 2 − 1 1
| Γ |=
=
= ≈ 0.3333
VSWR + 1 2 + 1 3

Imin = 6.6667mA
I max 13.3333mA
VSWR =
=
=2
I min
6.6667mA

Nhận xét: VSWR và |Γ| 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.

Page 9


Biểu diễn phần thực và phần ảo của trở kháng sử dụng PSPICE.

Câu hỏi 9: Tính toán trực tiếp Γ và VSWR sử dụng phương trình (2.6) và (2.7) dưới đây. So
sánh lại kết quả đo ở các câu 6, 7 và 8?
1+ Γ
Z − Z0
VSWR =
Γ= L
1− Γ
Z L + Z0

Γ=
Trả lời:

Z L − Z 0 100 Ω − 50Ω 1

=
= ≈ 0.3333
Z L + Z 0 100 Ω + 50Ω 3

1
3 =2
VSWR =
=
1
1− Γ
1−
3
1+ Γ

1+

Ta thấy kết quả khi tính theo công thức và so sánh lại với các câu trước đó là giống nhau.
Câu hỏi 10: Vẽ đồ thị biểu diễn quan hệ giữa cường độ điện áp trên tải và chiều dài đường
truyền.
Page 10


Khi chiều dài đường truyền thay đổi thì cường độ điện áp trên tải không thay đổi.
Công suất nhận được trên tải không thay đổi khi độ dài đường truyền thay đổi.
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 .
2π
2πf
βl =

l=
l
λ
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 dài 0.5λ tại 0.5f =0.5x200MHz =100MHz

2.5 f = 2.5 X 200 MHz = 500Mhz
2.5λ
Và nó có chiều dài
tại
Sử dụng 1m chiều dài đường truyền, chỉnh mô phỏng SPICE của ban, quét trực tiếp tần số từ
0.5λ đến 2.5λ
Z G
T1
Z L
In p u t

Load

50
1V ac
0V dc

100

Z 0 = 50
TD = 5ns

VG

0

0

0

0

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?

Page 11


Đồ thị này phù hợp với đồ thị trong câu hỏi 6.
Tính VSWR:
Vmax = 666.667mV
V
666.667 mV
VSWR = max =
=2
Vmin 333.333mV
Vmin = 333.333mV
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?
R G

In p u t

T1

Load

50
Z0 = 50
TD = 5ns
1Vac
0Vdc

VG

0

Z L

0

25

0

0

Tính VSWR:

Vmax = 666.667mV
Vmin = 333.333mV
V
666.667 mV
VSWR = max =
=2
Vmin 333.333mV
VSWR là như nhau cho các trường hợp 100Ω và 25Ω .

Thay tải bằng 0,001 Ω, giống như ngắn mạch tải.
Page 12


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

Vmax 1V
=
=∞
Vmin 0V

+ Từ công thức (2.6) and (2.7): |Γ| = = VSWR= =∞
Ta thấy hai kết quả tính được là bằng nhau.
Thay tải bằng 1 mega ohm

Câu hỏi 15: 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:
V
1V
VSWR = max =
=∞
Vmin 0V
Từ đồ thị: Vmax = 1V
Vmin = 0V
6
10
|Γ| = = = 1 VSWR= =∞

Hai VSWR ở câu 14 và 15 là như nhau. Đồ thị được vẽ trong câu 14,15 giống nhau về biên độ
tần số dịch 50MHz
Bài 3:
3.1 Giới thiệu:

QUÁ ĐỘ TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN

Page 13


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 bước nhảy, phối hợp trở kháng tải.
Trước tiên, tạo một đường truyền có trở kháng 50Ω 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=50Ω,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:
R g − Z 0 50 − 50
Γg =
=
=0
R g + Z 0 50 + 50
Hệ số phản xạ tại tải là:

Vậy không có sóng phản xạ điện áp tại nguồn và tải.
Vg Z L
10.50
VL =
=
= 5( V )
R g + Z L 50 + 50
VL =

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

Page 14


2.2 Hàm bước nhảy, không phối hợp trở kháng.
Thay trở kháng tải thành RL=20Ω
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:
Γg = =
ΓL = =
+
V1 = V
t = T = 25ns, sóng phản xạ tại tải V1- =ΓL.V+1 = -3/7*5= -15/7V
Tại
điện áp tại tải là tổng của hai sóng: V= V1+ +V1- =5-15/7= 2.857V
Vì vậy,

Page 15


Γg = 0

t = 2T = 50ns, sóng trở lại nguồn do
, không có sóng phản xạ biên độ điện áp
Tại
+
V2 = 0
. Như vậy, điện áp tại nguồn là: V =V1++V1-+V2+ =2.857V
Tại t = 3T = 75ns, sóng đến tải, do ΓL= -3/7 sóng phản xạ với biên độ: V2- =V2+.ΓL=0V
Nên điện áp tại tải V=V1+ +V1+ +V2+ +V2- = 2.857V
Tương tự t=4T= 100ns điện áp tại nguồn V=2.857V

3.2.3 Hàm bước nhảy, không phối hợp trở kháng tải và nguồn.
Thay trở kháng tải là 20Ω trở kháng nguồn 200Ω
Câu hỏi 3:Vẽ điện áp tại 2 điểm đầu cuối của đường truyền trong khoảng thời gian t=0..300ns

Giải thích:
Γg = =
ΓL = = V1+ = V
Tại t = T = 25ns, sóng phản xạ tại tải V1- =ΓL.V+1 = -3/7*2= -6/7V
điện áp tại tải là tổng của hai sóng: V= V1+ +V1- =2-6/7= 1.1428V
Vì vậy,
t = 2T = 50ns, sóng trở lại nguồn ,sóng phản xạ biên độ điện áp V2+ = Γg.V1- = =. Như vậy,
Tại
điện áp tại nguồn là: V =V1++V1-+V2+ =2-6/7-18/35 = 0.6286V
Tại t =3T= 75ns, sóng đến tải, do ΓL= -3/7 sóng phản ánh với biên độ:V2- =V2+.ΓL=
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
Page 16


t=7T=175ns điện áp tại tải V= 0.905V
t=8T=200ns điện áp tại nguồn V= 0.914V

3.2.4 Xung ngắn.
Thay đường truyền thành 2 đường truyền bằng nhau, tổng chiều dài 25ns, trở kháng đặc tính
Zo=50Ω. 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.

Giải thích: Γg = =
ΓL = = V1+ = V
t=0ns Vs=V1+ =2V
t=T/2 =12.5ns Vm=V1+=2V

t=T=25ns VL = V1++ΓL. 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+ =(ΓL+Γg.ΓL).V1+ = -1.371V
Page 17


t=5T/2=62.5ns Vm =V2+ = -0.514V
t=3T= 75ns VL= V2+ + V2- =(ΓL.Γg+ΓL2.Γg)V1+ = -0.294V
t=7T/2=87.5ns Vm= V2- = ΓL2.Γg.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.
Câu hỏi 5 : Sử dụng cùng đường truyền và trở kháng nguồn, trở kháng tải nhưng khác nguồn vg
vg = − 1 0
= +10 V với t = 0 … 20 ns, and
V for t = 20 … 40ns. Vẽ điện áp ở nguồn ,điểm giữa
,và tải của đường truyềnvới t = 0…100 ns ? Sự chuyển đổi từ cao tới thấp ở tải có rõ ràng không?

Sự chuyển đổi từ “high” xuống “low” tại tải rõ ràng.
3.3 Tải là phần tử tích cực.
Ω
Ω
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.
R g
T1
V g

V s o u rc e

V lo a d

25

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

Z 0 = 50
TD = 25ns
V g

0

C L

0

1n

Vinitial =0V Vfinal=12.132V t=(75-25) =50ns

0

= =41.24ns

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

Đồ thị

Page 18

0


Vinitial =13.3V Vfinal=0V

= =5.06ns

R=

Page 19


Page 20