ENE324 การทดลองเรื่อง Microwave

ENE324 การทดลองเรื่อง Microwave

วัตถุประสงค์:
1. เพื่อศึกษาการทำงานของอุปกรณ์ในย่านความถี่ x ( 8-12.4 GHz )
2. เพื่อศึกษาเรื่องการสะท้อน และ VSWR
3. เพื่อศึกษาเรื่องความยาวคลื่น

อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง: 
1. ชุดทดลองไมโครเวฟ ED-3000
2. เครื่องวิเคราะห์แถบความถี่ 10 GHz
3. Digital voltmeter
4. Digital Ammeter
5. สายต่อที่จำเป็น

เกี่ยวกับชุดการทดลอง ED-3000
ชุดการทดลองนี้ทำงานในย่านความถี่ระหว่าง 8.5GHz~12.4GHz (X-Band) และตัวกำเนิดคลื่น 15mW (Approx.) โดยใช้ท่อนำคลื่นหน้าตัดสี่เหลี่ยมผืนผ้า ขนาดมาตรฐาน WR-90 (0.9 ” x 0.4”, กว้าง xสูง)มีอุปกรณ์ต่างๆสำหรับการทดลองในย่านความถี่นี้ ดังนี้

1. Gunn diode oscillator     

2. Straight W/G

3. Variable flap attenuator

4. .Frequency Meter

5. Modulator

6. Fixed attenuator

7. Slide

8. Horn Antenna

9. Reflector plate
10.Base
11.Cables
12.Mounting hardware
13. Gunn power supply

14. Square wave Oscillator

ขั้นตอนการทดลอง:

• การทดลองที่ 1 : การวัดคุณลักษณะของ กันไดโอด ( Gunn diode I-V characteristic)

รูปที่  1 การต่ออุปกรณ์สำหรับทดลอง

1. ต่ออุปกรณ์ตามรูปที่ 1

2. ป้อนแรงดันเริ่มต้นที่ 2.5 v. บันทึกค่ากระแสไหลลงในตารางที่ 1.

3. เพิ่มค่าแรงดันครั้งล่ะ 0.5 v. จดค่ากระแส ทำแบบนี้อีกจนแรงดันถึงค่า 8.0  v. 

4. นำค่าที่ได้จากตารางมา พล็อตกราฟ V-I characteristic of GUNN diode 

  ผลการทดลองที่ได้แสดงช่วง การตอบสนองแบบ  Negative resistance

รูปที่ 2 ลักษณะการตอบสนองแบบ negative resistance

• การทดลองที่ 2 : การวัดการเปลี่ยนแปลงของความถี่และกำลัง ที่ออกจาก กันออสซิเลเตอร์ เมื่อเปลี่ยนค่าแรงดัน

รูปที่ 3 การต่ออุปกรณ์ สำหรับการทดลองวัดความเปลี่ยนแปลงของ
Gunn oscillator O/P

1. ต่ออุปกรณ์ตามรูปที่ 3

2. ป้อนแรงดันค่าต่ำสุดที่ทำให้ กันออสซิเลเตอร์ทำงานโดยสังเกตจาก เครื่องวิเคราะห์แถบความถี่

3. เพิ่มค่าแรงดันครั้งละ 0.5 v. จดค่าความถี่ที่อ่านได้จากเครื่องวิเคราะห์แถบความถี่ ทำแบบนี้อีก จนแรงดันถึงค่า 8.0 v. บันทึกลงตารางที่ 2.

4. นำค่าที่ได้จากตารางมาพล็อต Supply voltage vs. Frequency

5. นำค่าที่ได้จากตารางมาพล็อต Supply voltage vs. o/p power level

• การทดลองที่ 3 : การวัดความถี่ (frequency measurement)

รูปที่ 4 การต่ออุปกรณ์ สำหรับการวัดความถี่ และความยาวคลื่น

ต่ออุปกรณ์ดังรูปที่ 4 ในการทดลองนี้เราจะใช้ ออสซิโลสโคป แทนเครื่อง SWR indicator

1. ค่อยๆหมุนกระบอกของเครื่องวัดความถี่ช้างๆ จนกระทั่งสังเกตเห็นการลดลง ของขนาดสัญญาณไมโครเวฟ ดูได้จากออสซิโลสโคป 

2. สามารถอ่านความถี่ได้จาก สเกลที่ปรับเทียบไว้

3. การทำงานของเครื่องใช้หลักการของ resonant cavit

• การทดลองที่ 4 : การวัดความยาวคลื่น (Wavelength measurement)

1. ตั้งแผ่นสะท้อนคลื่นปิดที่ปลายท่อ จากนั้นค่อยๆเลื่อนแผ่นสะท้อนออกมา โดยให้แผ่นสะท้อนหันหาปลายท่อตลอดเวลา ขณะที่มีแผ่นสะท้อนที่ปลาย จะมีคลื่นนิ่งในท่อนำคลื่น

2. ขณะที่เราเคลื่อนแผ่นสะท้อน ให้หาตำแหน่งที่มีค่าแรงดันต่ำที่สุด สองตำแหน่งใกล้กัน ซึ่งแรงดันในท่อนำคลื่นสามารถตรวจจับได้ด้วย ดีเทคเตอร์ที่ติดไว้ที่ โพรบของสลอตลายน์ ต่อกับออสซิโลสโคป DC coupling

3. ระยะของสองตำแหน่งค่าแรงดันต่ำสุดที่อยู่ชิดกันนี้ เท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น คำนวณค่าความยาวคลื่น แล้วบันทึกลงในตาราง 3-1

• การทดลองที่ 5 : การวัดความยาวคลื่นในท่อนำคลื่น (Guided Wavelength measurement )

ทำการทดลองแบบเดียวกับการทดลองที่ 4 แต่ใช้แผ่นปิดปลายท่อแทน แผ่นสะท้อนคลื่น บันทึกค่าลงในตารางที่ 3-1

 ผลการทดลอง:

• ผลการทดลองที่ 1: การวัดคุณลักษณะของ กันไดโอด ( Gunn diode I-V characteristic)

ตารางที่ 1

• ผลการทดลองที่ 2: การวัดการเปลี่ยนแปลงของความถี่และกำลัง ที่ออกจาก กันออสซิเลเตอร์ เมื่อเปลี่ยนค่าแรงดัน

ตารางที่ 2

• ผลการทดลองที่ 3: การวัดความถี่ (frequency measurement)

ที่ความถี่ 11.37415 GHz เมื่อทำการปรับ Frequency Meter ให้มีค่า 11.2 GHz ซึ่งมีค่าใกล้เคียงความถี่ที่ตั้งไว้ จะพบว่าการลดทอนขนาดของสัญญาณไมโครเวฟจะมากขึ้น จากเดิมที่มีการลดลอน -3.03 dBm เพิ่มเป็น -7.65 dBm

• ผลการทดลองที่ 4-5: การวัดความยาวคลื่น

ตารางที่ 3-1

สรุปผลการทดลอง:

            จากการทดลองคลื่นไมโครเวฟจะเริ่มจาก Gunn diode oscilloscope ทำหน้าที่กำเนิดคลื่นไมโครเวฟที่ความถี่ในย่าน 10 GHz ซึ่งสามารถปรับความถี่โดยหมุนไมโครมิเตอร์ และ Oscillator ตัวนี้รับไฟ dc จาก Gunn power supply ประมาณ 7 vdcคลื่นไมโครเวฟที่ออกมาจะเดินทางผ่านท่อตรงไปยัง Variable flap attenuator ซึ่งเป็นตัวลดทอนสัญญาณ เช่น ลดลง 10 dB ต่อมาคลื่นจะส่งผ่าน Frequency Meter ซึ่งจะดูดคลื่นที่มีความถี่ตรงกับความถี่ที่ปรับไว้เข้าไปยังตัวมิเตอร์ทำให้คลื่น output ลดลงหรือหายไป ต่อจาก frequency meter จะเป็นอุปกรณ์ที่เรียกว่า modulator ซึ่งนำสัญญาณจาก Square wave oscillator ไป mod กับคลื่นไมโครเวฟ หลังจากนั้นก็ส่งผ่านท่อต่อตรงไปยัง slotted line ซึ่งเป็นตัววัดสัญญาณคลื่นที่จุดต่างๆตามความยาวของท่อ และสัญญาณจะถูก detect แล้วส่งผ่าน cable ไปยังออสซิโลสโคปเพื่อวัดสัญญาณ และส่วนสุดท้ายจะเป็นส่วนของสายอากาศ Horn มีลักษณะเป็นท่อสี่เหลี่ยมปลายเปิดกว่างและจะส่งคลื่นไมโครเวฟไปในอากาศ คลื่นที่ส่งไปในอากาศจะสะท้อนกับแผ่นโลหะไปยัง Horn ขนาดเล็กอีกอัน ซึ่งจะส่งสัญญาณเข้าไปยังSpectrum Analyzer เพื่อวิเคราะห์ความถี่ของคลื่นที่ส่งออกมา
วิจารณ์ผลการทดลอง:
     การทดลองที่ 1 : 

         ผลการทดลองที่ได้เมื่อนำมา plot กราฟ V-I Characteristic of GUNN diode จะพบแค่ส่วนของ thereshold voltage แต่ไม่พบในส่วนของ nagative resistance region เพราะ วัดที่แรงดันจำกัดเพียง 8 V ซึ่งยังไม่ถึงจุดดังกล่าว
     การทดลองที่ 2 :
        เมื่อทำการเพิ่มค่าแรงดันจะทำให้ความถี่เพิ่มขึ้นแต่ O/P Power (dBm) มีค่า -dBm ลดลง
     การทดลองที่ 3 :
        เมื่อทำการปรับ Frequncy Metor ให้ตรงกับความถี่ที่ตั้งไว้ จะทำให้มีค่า -dBm เพิ่มขึ้นจาก -3.03 เป็น -7.65 dBm แต่ในการปรับ Frequncy Metor นั้นอาจจะไม่ตรงกับความถี่ที่ตั้งไว้จำทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนจากการประมาณค่าได้
     การทดลองที่ 4-5 :
       จากการทดลองการหาค่าความยาวคลื่นในอากาศและความยาวเคลื่อนในท่อนำคลื่นที่ความถี่เดียวกันจะแตกต่างกัน โดยความยาวคลื่นในท่อนำคลื่นมีค่ามากกว่าส่งผลให้ ความเร็วของคลื่นในท่อนำคลื่นจะเร็วกว่าความเร็วคลื่นในอากาศจากสูตร
ความเร็ว = ความถี่*ความยาวคลื่น