TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - - MÔN HỌC THÍ NGHIỆM VIỄN THÔNG GIẢNG VIÊN: ThS HOÀNG MẠNH HÀ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM VIỄN THƠNG Tp.Hồ Chí Minh, tháng - 2010 TRƯỜNG ĐH TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ************** NỘI QUY PHỊNG THÍ NGHIỆM ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐIỀU I TRƯỚC KHI ĐẾN PHỊNG THÍ NGHIỆM SINH VIÊN PHẢI: Nắm vững quy định an tồn phịng thí nghiệm Nắm vững lý thuyết đọc kỹ tài liệu hướng dẫn thực nghiệm Làm chuẩn bị trước buổi thí nghiệm Sinh viên khơng làm chuẩn bị theo yêu cầu không vào làm thí nghiệm xem vắng buổi thí nghiệm Đến phịng thí nghiệm quy định giữ trật tự chung Trễ 15 phút không vào thí nghiệm xem vắng buổi thí nghiệm Mang theo thẻ sinh viên gắn bảng tên áo Tắt điện thoại di dộng trước vào phịng thí nghiệm ĐIỀU II VÀO PHỊNG THÍ NGHIỆM SINH VIÊN PHẢI: Cất cặp, túi xách vào nơi quy định, khơng mang đồ dùng cá nhân vào phịng thí nghiệm Khơng mang thức ăn, đồ uống vào phịng thí nghiệm Ngồi chỗ quy định nhóm mình, khơng lại lộn xộn Khơng hút thuốc lá, không khạc nhổ vứt rác bừa bãi Khơng thảo luận lớn tiếng nhóm Khơng tự ý di chuyển thiết bị thí nghiệm ĐIỀU III KHI TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM SINH VIÊN PHẢI: Nghiêm túc tuân theo hướng dẫn cán phụ trách Ký nhận thiết bị, dụng cụ tài liệu kèm theo để làm thí nghiệm Đọc kỹ nội dung, yêu cầu thí nghiệm trước thao tác Khi máy có cố phải báo cho cán phụ trách, không tự tiện sửa chữa Thận trọng, chu đáo thao tác, có ý thức trách nhiệm giữ gìn tốt thiết bị Sinh viên làm hư hỏng máy móc, dụng cụ thí nghiệm phải bồi thường cho Nhà trường bị trừ điểm thí nghiệm Sau hồn thành thí nghiệm phải tắt máy, cắt điện lau bàn máy, xếp thiết bị trở vị trí ban đầu bàn giao cho cán phụ trách ĐIỀU IV Mỗi sinh viên phải làm báo cáo thí nghiệm số liệu thu thập nộp cho cán hướng dẫn hạn định, chưa nộp báo cáo trước khơng làm Sinh viên vắng q 01 buổi thí nghiệm vắng khơng xin phép bị cấm thi Sinh viên chưa hoàn thành mơn thí nghiệm phải học lại theo quy định phịng đào tạo Sinh viên hồn thành tồn thí nghiệm theo quy định thi để nhận điểm kết thúc môn học ĐIỀU V Các sinh viên có trách nhiệm nghiêm chỉnh chấp hành nội quy Sinh viên vi phạm, cán phụ trách thí nghiệm quyền cảnh báo, trừ điểm thi Trường hợp vi phạm lặp lại phạm lỗi nghiệm trọng, sinh viên bị đình làm thí nghiệm bị đưa hội đồng kỷ luật nhà trường Tp.HCM, Ngày 20 tháng 09 năm 2009 KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ (Đã ký) PGS TS PHẠM HỒNG LIÊN Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thông Bài BÀI ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ (AM) I MỤC ĐÍCH Khi hồn thành thí nghiệm này, sinh viên mơ tả máy phát tín hiệu điều chế biên độ giải thích tín hiệu tin tức ảnh hưởng đến hình dạng tín AM nào, tính số điều chế phần trăm điều chế từ tham số AM, mô tả điều chế 100%, điều chế, hiệu suất truyền Sinh viên mơ tả máy thu AM, giải thích ảnh hưởng tầng RF, IF đến việc phát tín hiệu AM, hiểu phương pháp giải điều chế AM cách tách sóng đường bao II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Giới thiệu Điều chế biên độ (AM) trình kết hợp tín hiệu tin tức với tín hiệu sóng mang biên độ tín hiệu sóng mang thay đổi theo tín hiệu tin tức Như hình 1-1 trình bày, AM tạo hình bao điều chế mà có dạng sóng tương tự tín hiệu tin tức Các thay đổi biên độ tín hiệu tin tức gây thay đổi biên độ tín hiệu sóng mang tần số cao Hình 1.1 Khi tín hiệu tin tức (fm) sóng sine, phổ tần số tín hiệu sóng mang điều chế (tín hiệu AM) gồm có ba thành phần tần số: sóng mang (fc), biên (USB = fc + fm), biên (ISB = fc - fm) Hình 1-2 minh họa thành phần Ví dụ, tín hiệu sóng mang (fc ) 2000 kHz tín iệu tin tức (fm ) kHz, tần số LSB 1996 kHz (fc- fm = 2000 - 4), tần số USB 2004 kHz (fc + fm = 2000 + 4) Hình 1.2 1-1 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thông Bài Hình 1.3 Chỉ số điều chế (m) tỉ số biên độ đỉnh tín hiệu tin tức biên độ đỉnh tín hiệu sóng mang Phương pháp tính để xác định số điều chế (m) từ tín hiệu AM dựa vào hình 1-3 cơng thức đây: M= A− B A+ B Phần trăm điều chế số điều chế biểu diễn theo phần trăm (m x 100) Hình 1.4 Dạng sóng AM trình bày hình 1-4 điều chế 100% (chỉ số điều chế 1); điểm trũng tiếp xúc với đường chuẩn zero Công suất hiệu suất truyền AM liên quan trực tiếp đến số điều chế; điều chế 100% nhằm đạt công suất biên lớn Hình 1.5 Khi điều chế xảy (lớn 100%), hai biên hình bao điều chế băng qua đường chuẩn zero, hình 1-5 Trong truyền thông AM, điều chế gây tần số biên giả gọi biên splatter Splatter gây méo máy thu nhiễu với trạm radio khác Khi số điều chế tăng, mức công suất biên (PSB) tăng cơng suất sóng mang (PC) giữ khơng đổi Bởi thơng tin có ích chứa tín hiệu tần số radio (RF) nằm biên, đạt cực đại công suất biên cách tăng số điều chế mong muốn Tuy nhiên, AM, số điều chế phải không lớn 1, không méo nhiễu xảy Cơng suất tổng (PT) tín hiệu AM tổng cơng suất sóng mang (PC) công suất biên biên (PSB) PT = PC + PSB 1-2 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thông Bài Hiệu suất truyền (μ) phân số công suất tổng màđược chứa biên μ= PSB PT Hiệu suất truyền liên quan đến số điều chế μ = m2/ (2 + m2 ) Máy phát AM Hình 1.6 Có nhiều cách để tạo tín hiệu AM Như hình 1-7, mạch tích hợp điều chế cân (IC), phần tử phi tuyến, có chức điều chế biên độ Các tín hiệu tin tức sóng mang tín hiệu vào mạch điều chế biên độ Hình 1.7 Mạch điều chế biên độ trộn tín hiệu tin tức sóng mang để dịch tần số tín hiệu tin tức: dịch tín hiệu tin tức đến tần số tín hiệu sóng mang Hình bao tín hiệu sóng mang copy tín hiệu tin tức thay đổi tần số giống với tần số tín hiệu tin tức Bộ khuếch đại công suất RF phần cuối trước đến anten phát Nó cung cấp khuếch đại công suất cần thiết cho anten để xạ tín hiệu RF khoảng cách dài Hình 1-8 trình bày sơ đồ mạch khuếch đại cơng suất khối mạch AM/SSB TRANSMITTER Vùng gồm có RF POWER AMPLIFIER (Q1) ANTENNA MATCHING NETWORK có chức tạo trở kháng ngõ Q1 cần thiết để truyền công suất yêu cầu đến anten trở kháng thấp (được mô R5) 1-3 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thơng Bài Hình 1.8 Điện dung C1 chân đế cách ly điện áp cực DC điện trở R1 Các điện trở R2 R3 làm thành mạch chia áp để cung cấp điện áp DC không đổi cực khoảng 4.8V Bộ khuếch đại công suất RF (Q1) khuếch đại E chung Q1 phân cực thuận điện áp DC cực Q1 khơng đổi Kết Q1 hoạt động khuếch đại lớp A Hình 1.9 Trong khuếch đại lớp A, dịng cực thu dẫn 3600 cho tín hiệu ngõ vào, tín hiệu ngõ khơng bị méo Trong khuếch đại lớp B, dòng cực thu dẫn 1800 cho tín hiệu ngõ vào, tín hiệu ngõ bị méo Trong khuếch đại lớp C, dòng cực thu dẫn 1800 cho tín hiệu ngõ vào, tín hiệu ngõ bị méo đáng kể (xem hình 1-9) Đối với trường hợp phát quảng bá, hiệu suất quan trọng bậc khuếch đại cơng suất suy hao cơng suất dẫn đến cơng suất cho q trình xạ tín hiệu khơng truyền xa Các khuếch đại lớp C cung cấp hiệu suất tốt lớp B, khuếch đại lớp B cung cấp hiệu suất tốt lớp A Máy thu AM Hình 1-10 trình bày sơ đồ khối đơn giản máy thu AM quảng bá Tầng RF dao động nội điều chỉnh đồng thời, tầng RF khuếch đại tín hiệu AM Bộ đổi tần chuyển tần số AM thành tần số IF (trung tần) 455 kHz, tầng IF lọc khuếch đại tín hiệu trung tần IF Bộ tách sóng khơi phục lại tín hiệu tin tức từ tín hiệu IF, cuối tầng audio khuếch đại tín hiệu tin tức đến loa 1-4 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thơng Bài Hình 1.10 Xem hình 1-11 Tín hiệu AM từ anten máy phát AM kết nối đến điện trở 1MΩ (R8) để giảm cơng suất tín hiệu AM nhận máy thu Trở kháng ngõ vào khuếch đại RF xấp xỉ kΩ R8 nối đến biến áp tự ngẫu L4 có tỉ số vòng 7.7 Với tỉ số này, trở kháng ngõ vào lọc RF xấp xỉ 50 Ω lọc cộng hưởng tần số 1000 kHz CHÚ Ý: Tại tần số cộng hưởng RF FILTER, XL4 = XC7 mạch có trở kháng điện trở Hình 1.11 Như trình bày hình 1-12, mạch RF FILTER gồm điện cảm điện dung cố định mắc song song Đó mạch lọc thông dải LC song song Tần số cộng hưởng(fr) xảy điện kháng điện dung (XL = XC) Tại fr, trở kháng RF FILTER điện trở tín hiệu ngõ lớn Hình 1.12 Điều chỉnh RF FILTER cho tần số cộng hưởng 1000 kHz: điều chỉnh cuộn điện cảm (L4) cho tín hiệu ngõ RF AMPLIFIER lớn RF AMPLIFIER khuếch đại tín hiệu AM 1000 kHz đến RF FILTER tăng mức công suất khoảng 72 dB (độ lợi khoảng 16,000,000) Sinh viên điều chỉnh L5 mạch RLC cực thu cộng hưởng 1000 kHz độ lợi cực đại Khi mạch RLC cực thu cộng hưởng 1000 kHz, điện dung điện kháng triệt tiêu, mạch cịn lại điện trở Các mức cơng suất vào RF STAGE thành phần khác máy thu AM thường decibel (dB) liên quan đến mức công suất tham chiếu Thông thường sử dụng 1-5 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thông Bài miliwatt (mW) Biểu thức cho quan hệ cơng suất tính dBm với cơng suất (P) tính mW dBm = 10 x [log10 (P/1 mW)] Một dBm lượng công suất thật sự, khác với dB đại diện cho tỉ số cơng suất Cách dùng dBm thuận lợi xử lý với mạch nhiều tầng Hiệu số mức dBm ngõ ngõ vào tầng độ lợi cơng suất tính dB tầng (hình 1-13) Hình 1.13 Loại IC dùng cho điều chế cân dùng cho đổi tần (xem hình 1-14) Bộ đổi tần có hai ngõ vào: M (tin tức) C (sóng mang) Ngõ vào tín hiệu RF đổi tần (M) lấy từ ngõ khuếch đại RF Ngõ vào tín hiệu dao động nội đổi tần (C) tín hiệu 1455 kHz tạo từ khối mạch VCO-HI Hình 1.14 Bởi tín hiệu ngõ vào RF đến đổi tần có ba thành phần tần số, tín hiệu ngõ đổi tần cân gồm tần số tổng hiệu ba thành phần RF Các tần số ngõ vào RF khơng có biên độ đáng kể ngõ Bộ lọc IF lọc sứ có băng thơng 20 kHz, loại bỏ tất tần số 455 kHz 465 kHz Để cho đổi tần tạo tín hiệu với tần số hiệu 455 kHz đến lọc IF, tần số VCO-HI phải chỉnh xác 1455 kHz Bộ tách sóng đường bao (xem hình 1-15 1-16): nửa chu kỳ dương tín hiệu ngõ ra, tụ điện nạp đến điện áp đỉnh ngõ vào Vì thế, điện áp qua R12 C10 điện áp tín hiệu ngõ vào (trừ sụt áp diode) diode (CR1) phân cực thuận Khi tín hiệu ngõ nhỏ giá trị này, diode (CR1) tắt tụ điện (C10) bắt đầu xả từ từ qua điện trở (R12) với tốc độ xác định thời RC Hình 1.15 1-6 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thơng Bài Hình 1.16 Trên nửa chu kỳ dương tín hiệu ngõ vào, CR1 dẫn C10 nạp điện đến giá trị xác định tín hiệu ngõ vào Quá trình lặp lại cách tự động liên tục Có giá trị tối ưu cho thời xả RC Nếu thời xả lớn q nhỏ, ngõ tách sóng khơng dạng với hình bao tín hiệu AM ngõ vào Ảnh hưởng thời lớn nhỏ trình bày hình 1-17 Hình 1.17 Điều khó khăn tách sóng hình bao phải có điện áp xấp xỉ từ 0.4 V đến 0.6 V rơi diode diode dẫn Vấn đề trở nên nghiêm trọng tín hiệu nhỏ hay tín hiệu điều chế 100% Ảnh hưởng sụt áp phân cực thuận diode trình bày hình 1-18 Hình 1.18 III YÊU CẦU THIẾT BỊ Bộ chân đế Board mạch ANALOG COMMUNICATIONS Nguồn cung cấp 15 Vdc Dao động ký hai kênh Máy phát sóng sine/vng IV TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 1-7 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thông Bài 39 Lúc đầu antenna dipole dọc có đồ thị xạ hình trịn, cịn đồ thị xạ có tính định hướng Xác định độ rộng búp sóng (độ rộng xạ) Đặt đồng hồ đo bước 12, với dòng điện 25μA Di chuyển đồng hồ đến gần antenna dịng tăng gấp đơi (3 dB) Sau di chuyển đồng hồ sang phải dòng rớt xuống cịn 25μA, ghi lại góc lệch: _ độ Đưa đồng hồ trở lại vị trí trung tâm sau di chuyển sang trái đạt trị số 25μA lần Ghi lại góc lệch cho trường hợp từ suy độ rộng xạ Góc lệch = Độ rộng xạ = _ 40 Bộ phản xạ hai phản xạ tạo nên định hướng tia tới hướng lên phía Tiến hành quan sát cường độ chùm xạ mặt phẳng thẳng đứng Đặt đồng hồ bước 12 (xấp xỉ 200 cm) đằng sau phản xạ Xoay từ từ mặt phẳng đất cách dịch phản xạ Khi dịch phía trước (cùng phía với đồng hồ), quan sát dịng điện thị đồng hồ Hiện tượng xảy ? _ Kiểm tra lại trường cách di chuyển mặt phẳng đất theo hướng nằm ngang đồng hồ nằm mặt phẳng thẳng đứng Quan sát xem độ lợi tăng lên Chú ý: Chiều dài phản xạ thay đổi theo độ dài hai phản xạ Các phản xạ ngắn, phản xạ dài Bộ phản xạ dài 13% so với chiều dài antenna V KẾT LUẬN 8-14 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thơng Bài BÀI CÁC ĐƯỜNG TRUYỀN SĨNG I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Trong thí nghiệm này, sinh viên làm quen với đặc tính chung đường truyền so sánh chúng với antenna Các sóng dừng đường truyền Lecher khảo sát, với thay đổi vận tốc truyền lượng mơi trường khác Hồn thành thí nghiệm này, sinh viên hiểu được: Năng lượng truyền máy phát antenna Các tổn hao gây nên đường truyền Những điểm khác trở kháng loại antenna khác đường truyền II THẢO LUẬN Các nguyên tắc chung Bài thí nghiệm nhấn mạnh đến antenna dipole Tuy nhiên có phần tử quan trọng khơng kém, đường truyền dùng để truyền lượng máy phát antenna antenna máy thu Đường truyền hoạt động kết nối hai phần tử đầu cuối, mục tiêu người thiết kế phải tối thiểu hoá tổn hao đường truyền Các đặc tính đường truyền xác định độ dài nó, kích thước dây dẫn, vật liệu điện môi sử dụng dây dẫn Các tính chất vật lý xác định đặc tính điện đường dây Các đặc tính điện bao gồm điện dung đường dây, điện cảm đường dây, điện trở dây, phân bố toàn chiều dài dây dẫn Các đường truyền làm cáp đồng trục dây song hành có điện trở hay trở kháng biến thiên khoảng từ 50Ω tới 600Ω Có nhiều loại cáp chuẩn sản xuất, ba giá trị trở kháng đường truyền thông dụng 50Ω, 75Ω, 300Ω Như vậy, đường truyền sóng xem chuỗi nối tiếp cuộn dây, điện trở, điện dung minh hoạ hình 9-1 Hình 9.1 Đường tryền sóng – mơ hình tương đương Vận tốc (Các hệ số truyền) Sóng điện từ truyền khơng gian tự với vận tốc 300 x 106 m/s Trong môi trường truyền khác, ví dụ cáp đồng trục hay cápplastic,vận tốc truyền chậm Năng 9-1 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thông Bài lượng đường truyền thường truyền bề mặt đường dây, dòng DC thường truyền qua lõi cáp Trong số ứng dụng, DC truyền lên antenna sử dụng để điều khiển relay antenna, lượng RF truyền từ antenna xuống đường dây tới máy thu Phải có lớp bảo vệ để ngăn dịng DC ngắn mạch cuộn dây antenna hay biến áp Phương trình sau cho phép tính thời gian cần thiết để lượng truyền hết đường dây: ts = L c Trong đó: tS : thời gian truyền tính s L : chiều dài cáp tính m c : vận tốc truyền lượng không gian tự do, 300 x 106 m/s Khi tần số truyền lượng tăng cảm kháng đường dây tăng tổn hao lớn Sự tổn hao gây điện dung điện cảm với tổn hao điện trở làm tăng thời gian truyền Người ta phân biệt hai loại đường truyền: cân không cân Ở đường truyền cân bằng, lượng đường dây ngược pha 1800, kết trường gây hai dây trung hồ lẫn Ở đường truyền khơng cân bằng, đường nối đất đường dẫn lượng RF, ví dụ: cáp đồng trục Đường truyền plastic sử dụng chế tạo cable máy thu hình hay máy thu FM ví dụ đường truyền cân Tuy nhiên, đường truyền cân nối tới điểm nhiều dipole λ/2 có giá trị trở kháng từ 73 tới 75Ω Điện trở đặc tính đường truyền cân với điện mơi khơng khí xác định cơng thức: Z o = 276 log d r Trong đó: Zo trở kháng tính Ω d khoảng cách hai dây dẫn r đường kính dây Khi dùng điện mơi vật liệu plastic có số điện mơi ε, cơng thức trở thành: Zo = 276 ε log d r Trong phần 9-7 ta thấy khoảng cách dây dẫn vật liệu điện môi sử dụng ảnh hưởng đến trở kháng đường truyền Như đề cập trên, vận tốc truyền đường truyền sóng thường chậm so với khơng gian tự Mối liên hệ truyền sóng đường truyền không gian tự cho cơng thức: λL = cV FMHz Trong đó: 9-2 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thông Bài λ L bước sóng đường dây, m c vận tốc ánh sáng, m/s V hệ số vận tốc môi trường Bảng 9-1 bao gồm danh mục loại cáp khác trở kháng đặc tính Loại cáp Trở kháng Hai dây hở Zo = 75 -500W Hai dây cách ly Zo = 300W Cable song hành có vỏ bảo vệ Zo = 40 - 150W Cable xoắn Zo = 70 - 150W Cáp đồng trục Zo = 10 - 150W Bảng 9.1 Các đường truyền tiêu biểu trở kháng chúng Sóng dừng đường truyền sóng - VSWR Nừu đường truyền kết thúc đúng, công suất truyền từ nguồn tới tải đạt cực đại Nếu đường dây không kết thúc đúng, phần công suất truyền qua tải phần phản xạ ngược trở nguồn Sự khác trở kháng tải đường dây lớn phản xạ lớn Một số lượng truyền ngược nguồn khử bớt lượng truyền theo chiều thuận, số khác cộng thêm vào phần lượng thuận Điều tạo đường dây số điểm lượng đạt cực đại số điểm lượng có giá trị cực tiểu Các đIểm cực đại cực tiểu gọi nút (node) Các nút gồm hai loại: nút điện áp nút dịng điện, giá trị đo lấy từ volt-kế RF hay phát vòng dòng Tuy nhiên nút điện áp dịng điện thường khơng xuất vị trí TỶ SỐ SĨNG DỪNG (SWR–STANDING WAVE RATIO) SWR có giá trị lớn hay 1, ví dụ 2:1, 1.5:1, hay 1:1 Các giá trị 1.1:1 tới 1.3:1 xem giá trị thấp SWR Dễ dàng nhận thấy giá trị ZL gần với giá trị Zo, SWR gần với giá trị 1:1 Giá trị 1:1 ứng với phối hợp hoàn toàn tải đường dây, lúc đường dây gọi phẳng Tỷ số SWR cao không tương đồng lớn công suất tiêu tán lớn Trong thực tế khơng có đường dây 1:1, giá trị 1.3:1 – 1.5:1 xem tốt Nếu dùng cách đo điện áp, sử dụng volt-kế trở kháng cao để xác định điểm cực đại cực tiểu Trong thí nghiệm này, sinh viên dùng vòng dòng với diode chỉnh lưu lọc để xác định điểm nút Các đường truyền ngắn mạch hở mạch Nếu đường truyền λ/4 bị ngắn mạch đầu cuối, có dòng điện lớn chảy qua đầu ngắn mạch điện áp đầu Ngược lại đầu cuối hở mạch có điện trở cao, điện áp cao, dịng điện cực tiểu Hình 9-2 minh hoạ hai đường truyền, đường truyền ngắn mạch (R = 0) đường truyền hở mạch (tải R vô lớn) 9-3 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thông Bài Chú ý hình 9-2A, dịng qua tải cực đại điện áp tải cực tiểu; ngược lại, hình 9-2B, điện áp tải cực đại dòng tải cực tiểu Hình 9.2 Các đường dây ngắn mạch hở mạch Các đường truyền Lecher Đường truyền Lecher miêu tả thí nghiệm Hình 9-3 mơ tả đường truyền Lecher dùng bóng đèn dịng điện hay điện áp Bước sóng vơ tuyến xác định cách định vị hai điểm cực đại hay hai điểm cực tiểu liên tiếp đường dây Khoảng cách hai đIểm cực đại λ/2 Hệ số vận tốc, gọi hệ số truyền đường dây, xác định cách đo λ/2 (đơn vị cm) đường truyền Lecher (giữa hai đIểm cực đại) so sánh giá trị đo với giá trị tính tốn bước sóng khơng gian tự Tỷ số bước sóng đường dây so với không gian tự có giá trị nhỏ 1, hệ số vận tốc đường dây nhỏ Trong hình 9-3A, ngắn mạch, phát vịng dịng, xác định vị trí dịng điện cực đại Ở khoảng cách ¼ bước sóng, dịng điện (xem hình 9-3B) giảm xuống thấp, khoảng cách l/2 bước sóng dịng điện lại tăng cao Các sóng diện đường dây đường dây tải không phối hợp tốt với Một đường truyền sóng, tương tự đường truyền Lecher, kết thúc điện trở điện trở đặc tính, có VSWR (tỷ số sóng dừng điện áp) 1:1 Đường truyền gọi đường truyền phẳng đường truyền không cộng hưởng Với đường truyền này, 100% lượng RF truyền tới antenna Đây đường truyền lý tưởng mà ta mong muốn 9-4 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thơng Bài Hình 9.3 Các sóng dừng đường Lecher Hình 9.4 Đường truyền, phẳng; RL lớn hay nhỏ Z0 Xét mối liên hệ tỷ số sóng dừng điện áp dòng điện đường truyền điện trởđầu cuối thay đổi Hình 9-2 điện trở cuối đường dây cao điện áp cao, điện trở cuối đường dây dịng điện cao Hình 9-4A mơ tả đường dây có điện trở đầu cuối với trở kháng đường dây Đây đường dây phẳng Cả dòng áp số toàn đường dây Nếu điện trở tải lớn trở kháng đường dây, điện áp tăng cao, dòng điện thấp (xem hình 9-4B) Trong hình 9-4C, điện trở tải nhỏ trở kháng đặc tính đường dây, kết là, dòng điện cao điện áp thấp Phối hợp trở kháng tải đường dây 9-5 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thông Bài Nếu antenna dipole cấp tín hiệu vào điểm giữa, có trở kháng xấp xỉ từ 73 tới 75Ω đường truyền nối tới antenna nên có trở kháng giá trị Nếu antenna chọn cho hoạt động tần số khác với tần số cộng hưởng bản, giá trị điện trở điểm lớn giá trị 73 tới 75Ω Trong điều kiện vậy, đường truyền nối tới đầu antenna hình 9-6 Kết nối gọi kết nối delta Do điện trở antenna tăng di chuyển điểm kết nối xa điểm giữa, nên ta chọn điểm kết nối cho điện trở antenna giống với điện trở đường truyền Nếu ta nối đồng hồ đo VSWR tới đường truyền, giả sử giá trị VSWR 4:1 đường truyền nối tới tâm điểm antenna ta việc mở rộng điểm kết nối giá trị đồng hồ đọc mức thấp Giá trị 1.5:1 nhỏ xem phối hợp trở kháng tốt Hình 9.5 Đường dây nối Delta Trở kháng đặc tính đường dây phối hợp chọn dựa vào giá trị trở kháng ngõ vào ngõ theo công thức Zo = Z in Z L Trong đó: Z0 trở kháng đường truyền phối hợp Zin trở kháng ngõ vào hay trở kháng nguồn ZL trở kháng tải Khoảng cách đường truyền Sự phân cách dây dẫn đường truyền thường trì cách điện hay ngăn cách làm thuỷ tinh, sứ, sợi, hay gỗ Ở tần số cao khoảng cách gần so với tần số RF thấp Nếu khoảng cách lớn xảy xạ đường truyền Trên đường truyền cân phối hợp đúng, xạ phát SỰ TRUYỀN SĨNG BỞI CÁC ĐƯỜNG TRUYỀN Năng lượng điện từ truyền đường truyền bị chậm đi; kết là, chiều dài điện chiều dài vật lý không giống Chiều dài điện phụ thuộc trực tiếp vào: Môi trường truyền Kích thước vật lý dây dẫn Khoảng cách dây dẫn Tất yếu tố rút gọn số k (gọi hệ số vận tốc), hệ số khác tuỳ loại đường truyền Giá trị k nhỏ Trong chân không k =1, sau giá trị k môi trường khác nhau: Các dây song song với điện mơi khơng khí k = 0.95 tới 0.975 Các dây song song với điện môi plastic k = 0.8 tới 0.95 9-6 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thông Bài Cáp song hànhvới vỏ bảo vệ cách điện cao su k = 0.56 tới 0.65 Cáp đồng trục phân cách không khí k = 0.85 Hệ số vận tốc, k, định nghĩa tỷ số vận tốc truyền đường dây với vận tốc truyền không gian tự Hệ số liên hệ với số điện môi ε hệ số từ thẩm μ vật liệu công thức sau: k= μ lε l Trong đó: μl hệ số từ thẩm đường dây (trong không gian tự = 1) εl số điện môi (trong không gian tự = 1) Khi dòng chạy qua hai dây dẫn song song theo hướng ngược chiều nhau, hai dòng điện ngược pha 1800, trường triệt tiêu tổn hao xạ Ở tần số thấp, điều xảy thực tế Tại tần số cao, hai dòng điện gây tổn hao xạ Tổn hao giảm cách di chuyển dây dẫn gần lại Thông thường, khoảng cách dây dẫn không vượt qua 0.01λ Tuy nhiên, việc di chuyển hai dây dẫn gần lại lại làm giảm trở kháng đặc tính đường dây Tất đường truyền sử dụng loại vật liệu cách điện Khơng khí có tổn hao điện mơi thấp Nếu đường truyền đồng trục bao gồm hai dây dẫn đồng tâm phân cách thuỷ tinh hayplastic trở kháng đặc tính đường dây tính theo công thức: Z0 = 138 ε log B A Trong đó: B đường kính vịng dây dẫn bên ngồi A đường kính ngồi vịng dây dẫn bên (Chú ý: B A có đơn vị) ε số điện môi điện môi phân cách Các đường dây đồng trục Đường dây đồng trục đường truyền đồng tâm với dây dẫn đồng đặt tâm lớp vỏ bọc Vỏ bọc bảo vệ dây dẫn tâm khỏi xạ, vấn đề gắn liền với dây dẫn song song Các cáp đồng trục sản xuất chuẩn thường có dây dẫn đồng nhúng điện mơi polyethylene bảo vệ lớp vỏ đồng bên Trở kháng đặc tính loại cáp vào khoảng từ 50 - 100Ω Bảng 9-2 cung cấp danh sách ngắn gọn cáp đồng trục, gồm mã hiệu trở kháng 9-7 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thông Bài Bảng 9.2 Đặc tính loại cáp đồng trục Các đoạn dây chêm điều chỉnh trở kháng Dây chêm thường đoạn cáp có chiều dài xấp xỉ λ/4 Ví dụ, tải có thành phần dung kháng, dẫn đến phối hợp với đường truyền, ta dùng dây chêm nối tới đường truyền giao điểm antenna đường truyền Dây chêm có tác dụng khắc phục phối hợp antenna đường truyền (xem hình 9-6) Bằng cách đặt đường dây λ/4 song song với antenna điều chỉnh khoảng cách từ antenna đến điểm ngắn mạch đoạn dây chêm, đoạn dây trở thành cảm kháng có tác dụng triệt tiêu thành phần dung kháng antenna Do đó, đường truyền điều chỉnh để tải trở thành điện trở Một đoạn dây ngắn mạch λ/4 dùng làm biến đổi phối hợp trở kháng Ví dụ, đường truyền trở kháng cao nối vào ngõ vào trở kháng cao đoạn dây chêm đầu cuối mạch đoạn dây chêm nối tới điểm dipole trở kháng thấp Theo cách này, vòng λ/4 sử dụng làm biến áp phối hợp Đường truyền phải phối hợp trở kháng với nguồn lượng Ví dụ, khung cộng hưởng gồm cảm kháng dung kháng mạch dao động máy phát cần phải ghép với đường truyền sóng cuộn dây hay tụ điện cho trở kháng đường dây phải giống với trở kháng mạch máy phát Có nhiều cách thực kết nối cho mạch dao động 9-8 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thơng Bài Hình 9.6 Dây chêm điều chỉnh trở kháng 10 Balun Balun, ghép từ chữ viết tắt hai từ (balanced-to-unbalanced), biến đổi từ đối xứng thành bất đối xứng ngược lại, đặt đường truyền đối xứng bất đối xứng, antenna, sử dụng để nối đường truyền trở kháng thấp tới trở kháng tải cao Ví dụ, ứng dụng balun nối cáp đồng trục 75Ω tới đường truyền đối xứng 300Ω Ở ta dùng biến áp tự ngẫu với tỷ số vòng 1:2 để làm balun Số vòng tăng gấp đôi làm trở kháng tăng lên lần (xem hình 9-7) Hình 9.7 Balun – 75Ω - 300Ω Ta thấy ngõ vào bất đối xứng ngõ ra, có trở kháng tăng lần, đối xứng Hình 9-8 mơ tả máy biến áp có dạng hình xuyến Hình 9.8 Balun – hình xuyến 9-9 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thông Bài Nếu antenna cấp tín hiệu vào điểm từ đường dây đồng trục, trường hợp dipole, đối xứng antenna khơng cịn phần dipole nối tới lõi cable phần lại nối xuống mass qua vỏ cable Dòng tới antenna qua lõi bên vỏ bên cable Dưới điều kiện thế, dịng điện khơng triệt tiêu đường dây tạo thêm xạ không mong muốn (xem hình 9-9A: dipole đối xứng cấp tín hiệu điểm bời cable đồng trục không đối xứng) Hình 9.9 Đường truyền cable đồng trục dipole Hình 9-9B minh hoạ balun, gọi bazooka, sử dụng ống kim loại để tạo thành đoạn dây ngắn mạch λ/4 Đầu hở mạch có trở kháng cao đầu ngắn mạch có trở kháng thấp Năng lượng từ phần nối đất dipole gặp phải trở kháng cao truyền ngược mass Ống kim loại cần phân cách với đường cable đồng trục mẫu plastic vật liệu tương tự Như độ dài vật lý ống ngắn so với độ dài điện λ/4 Vì ống khơng phải biến đổi trở kháng nên khơng làm ảnh hưởng tới trở kháng đường dây Hình 9-9C sử dụng ống khác Một ống kim loại tương tự (chiều dài ngắn chiều dài λ/4 sóng điện) nối phần dipole nối với lõi cable với đất Thanh kim loại λ/4 nối tắt với vỏ cable Dòng điện phần dipole ngược chiều lấy điểm chuẩn mass Các dòng điện ngược chiều chảy cable đồng trục đường dây dẫn thứ hai Đoạn λ/4 tương đương với trở kháng cao antenna khơng tải dịng điểm tiếp xúc Đoạn thêm vào có chiều dài vật lý ngắn chiều dài điện Ở hình 9-10 balun khác làm cáp đồng trục Cách bố trí giống với balun hình 9-7 Ngõ vào bất đối xứng ngõ đối xứng Hình 9.10 Ngõ vào bất đối xứng ngõ đối xứng, tỷ lệ trở kháng 4:1 11 Cách tính VSWR VSWR tính tốn cơng thức sau: Rr = ( Z L − Ra ) + X L ( Z L + Ra) + X L 9-10 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thông Bài Trong đó: Rr : hệ số phản xạ ZL : trở kháng tải (antenna) Ra : điện trở antenna XL : điện kháng antenna VSWR = + Rr − Rr III TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM u cầu vật liệu Đế cấp nguồn S300PSB (hoặc Master Builder S300B) Panel Antenna SIP360A Cột antenna, có balun SIP360 - Antenna dipole ngang SIP360 - Antenna dãy Yagi SIP360 - Thanh phản xạ SIP360 – Cáp đồng trục, 33 cm (13inch) SIP360 - Đồng hồ đo cường độ trường SIP360 - Các điện trở (4): 50, 100, 180, 270Ω SIP360 - Đĩa chia góc SIP360 - Các kết nối BNC “T” (2) Cáp, đầu cấm nhỏ 10” tới đầu cắm banana SIP360 – 11 Đồng hồ vạn số (DMM) Kiểm tra đo Trong thí nghiệm, sinh viên thay đổi giá trị khác điện trở tải đường truyền Lecher đo VSWR ứng với giá trị, từ xác định giá trị điện trở tải làm cho VSWR nhỏ Chú ý: Có thể dùng nút vịng dịng điện hay điện áp dọc theo đường truyền để đo SWR Trong phần thí nghiệm này, sinh viên sử dụng vịng phát mang tính cảm thay dùng volt kế ghép dung kháng Các cực đại cực tiểu dịng xác định Tiến trình thí nghiệm Nối cáp đồng trục BNC máy phát BNC ngõ vào đường truyền Lecher Bật máy phát chỉnh điện áp khoảng từ –10 tới –12 VDC Quan sát vạch chia bước sóng chuẩn panel chỉnh núm điều khiển chiết áp phía đồng hồ đo cho đồng hồ không vượt giá trị 10, không quan tâm tới vị trí trượt Đọc điện áp DC cực đại, cực tiểu (bằng mV) Các giá trị dùng để tính VSWR Cắm cable vào đầu cắm Meter Out panel, đầu cắm banana vào đồng hồ vạn số 9-11 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thông Bài Di chuyển trượt đến vị trí tận bên phải đường truyền Lecher Xác định giá trị điện áp cực đại cực tiểu đọc DMM Tỷ số hai giá trị VSWR Ghi lại số liệu Cực đại = - Cực tiểu = Từ giá trị đọc bước 5, tính VSWR VSWR = Chú ý: Nếu đường dây khơng có tải(hở mạch), trở kháng tải vơ trở kháng ngõ vào đường truyền thấp Do VSWR có giá trị lớn Xác định giá trị điện trở tải phối hợp tốt với đường truyền Lecher Sáu điện trở mà sinh viên cung cấp gắn vào điểm test cuối đường truyền, ngắn mạch, đến điện trở 47Ω, Ghi lại trị dịng cực đại cực tiểu tính VSWR giá trị điện trở gắn vào Điện trở (Ω) Max Min ISWR (ngắn mạch) 47 100 180 270 330 470 Giá trị điện trở tạo phối hợp trở kháng đường dây tốt nhất? Trong bước đo sau, sinh viên xác định số điện môi board mạch in.Vật liệu điện môi phân cách hai dải dẫn 10 Đo bước sóng khơng gian sử dụng đồng hồ đo cường độ trường phản xạ Phép đo thực thí nghiệm 7, ta lặp lại phép đo với vị trí đặt đồng hồ khác với thí nghiệm 11 Tháo tất điện trở tải đường truyền Lecher xác định bước sóng dùng đường truyền Lecher không tải _ 12 Tính tỷ số bước sóng đường truyền bước sóng khơng gian? λ (không gian) λ (đường truyền) k (tỷ số) Chú ý: Tỷ số nhỏ Giá trị tính giá trị k công thức phần 9-7 PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG BẰNG DÂY CHÊM 9-12 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thơng Bài 13 Hình 9-11 mơ tả cách bố trí thiết bị để tiến hành thí nghiệm phối hợp trở kháng dây chêm Trong thí nghiệm này, dipole nối tới máy phát cable đồng trục đường truyền Lecher nối tới điểm nối đường truyền với dipole antenna Hai kết nối BNC hình chũ T gắn đỉnh cột Cáp đồng trục 13 inch (33cm) nối đường truyền Lecher kết nối chữ T Hình 9.11 Thí nghiệm dây chêm phối hợp trở kháng Trong cách bố trí này, đường slider/detector sử dụng làm đoạn dây ngắn mạch để nối tắt đường truyền Lecher xác định chiều dài Chiều dài dây chêm bội số lẻ λ/4 Đồng hồ đo cường độ trường đặt bàn song song với dipole xạ cho kim đồng hồ vị trí thang đo Điều chỉnh điện áp hoạt động cho khoảng cách hai antenna xấp xỉ từ 1/2 tới 1m Đồng hồ đo cường độ trường sử dụng thay cho mạch phát đo VSWR 14 Quan sát số đồng hồ đo cường độ trường di chuyển trượt từ vị trí theo hướng giá trị cực đại, ta thấy số đồng hồ đo cường độ trường tăng Di chuyển trượt điều chỉnh cho đồng hồ đo cường độ trường thị dòng điện cực đại Giá trị dịng cực đại cho biết cơng suất truyền từ máy phát đến antenna dipole cực đại, có nghĩa đường truyền dipole có phối hợp trở kháng tốt Chú ý: Trong trình thí nghiệm, di chuyển xung quanh dipole phát hay đồng hồ đo cường độ trường làm thay đổi giá trị đo cường độ trường.Do cố gắng giữ hai tay thể vị trí cố định lúc đo 15 Ghi lại vị trí phát đường truyền Lecher mà cơng suất RF đồng hồ đo cường độ trường lớn nhất. _ 16 Điều chỉnh mức điều khiển panel antenna ghi lại vị trí dịng ngõ RF cực đại Vị trí điểm trũng hay điểm cực đại đường truyền Lecher Vị trí trũng có nghĩa phát đường truyền Lecher ngắn mạch đường dây đường dây cáp đồng trục hoạt động đoạn dây phối hợp Chiều dài đường truyền Lecher cáp đồng trục 33 cm tạo thành tổng chiều dài đoạn dây chêm phới hợp Chiều dài bội số lẻ λ/4 và, phụ thuộc vào chiều dài này, ta quan sát điểm cực đại hay cực tiểu panel đồng hồ 9-13 Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Viễn Thông Bài 17 Tại điểm khác đường truyền Lecher mà giá trị ngõ RF đọc đồng hồ đo cường độ trường cực đại? Ghi lại giá trị Hai vị trí đường Lecher tạo công suất ngõ RF lớn nhất? Ghi lại giá trị 18 Gắn antenna Yagi vào thử sử dụng đoạn dây chêm Quan sát điểm cực đại cực tiểu đồng hồ panel, ước lượng chiều dài đoạn dây chêm theo số bước sóng. KHẢO SÁT BALUN Cột antenna (được dùng thí nghiệm antenna khác nhau) có balun dùng để phối hợp trở kháng cáp cable đồng trục cột kiểu antenna khác Cable đường truyền bất đối xứng antenna gắn cột đối xứng Balun có tác dụng làm giảm lượng truyền từ antenna đối xứng theo đường truyền (gồm cột antenna) xuống mass Balun, có vật liệu cách điện bên trong, chế tạo nhỏ 1/4 bước sóng Balun cách ly với cột antenna nhựa epoxy Khi ốc gắn balun siết chặt, đáy balun lúc ngắn mạch cịn đỉnh balun có trở kháng cao Do balun tương đương với đoạn dây 1/4 bước sóng 19 Xác định ảnh hưởng balun lên công suất xạ từ antenna Yagi Gắn antenna Yagi thiết lập đồng hồ đo cường độ trường cho đồng hồ thị 25μA (giữa thang đo) ốc balun nới lỏng Balun dời xuống cho cách xa antenna (ốc balun khơng chạm tới cột) Dưới điều kiện này, mạch phối hợp 1/4 bước sóng balun khơng tồn Ghi lại dòng điện tháo balun μA 20 Khi balun di chuyển lên trên, đồng hồ công suất tăng Khi balun vị trí, ghi lại giá trị dịng điện μA Cơng suất xạ tăng hay giảm sử dụng balun? _ 21 Công suất phát giảm tháo balun, công suất tiêu tốn đâu? 22 Vẫn quan sát đồng hồ đo cường độ trường, đồng thời di chuyển ngón tay xuống dọc cột antenna (lúc balun khơng sử dụng) Có hay khơng thay đổi công suất thu di chuyển bàn tay lên xuống? Sau gắn balun vào siết ốc Tiếp tục di chuyển ngón tay cột antenn, quan sát đồng hồ đo cường độ trường Di chuyển ngón tay từ vị trí ốc hướng lên phía antenna, ý chạm vào antenna (vùng có trở kháng cao hơn) có nhiều phản xạ xảy ta quan sát thay đổi đồng hồ Ghi lại tượng quan sát _ _ IV KẾT LUẬN 9-14 ... THẮNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM VIỄN THƠNG Tp.Hồ Chí Minh, tháng - 2010 TRƯỜNG ĐH TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - CỘNG HÒA XÃ HỘI... thuyết đọc kỹ tài liệu hướng dẫn thực nghiệm Làm chuẩn bị trước buổi thí nghiệm Sinh viên khơng làm chuẩn bị theo yêu cầu không vào làm thí nghiệm xem vắng buổi thí nghiệm Đến phịng thí nghiệm quy... chuyển thiết bị thí nghiệm ĐIỀU III KHI TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM SINH VIÊN PHẢI: Nghiêm túc tuân theo hướng dẫn cán phụ trách Ký nhận thiết bị, dụng cụ tài liệu kèm theo để làm thí nghiệm Đọc kỹ nội