Tóm tắt Luận án Nghiên cứu giải pháp truyền năng lượng siêu cao tần công suất lớn, hiệu suất cao phục vụ cho khai thác năng lượng vũ trụ

Tác giả đã đề xuất: Xây dựng các thành phần thực hiện nhiệm vụ

chuyển đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng siêu cao tần

công suất lớn bao gồm các mạch tạo dao động, khuếch đại đệm và

khuếch đại công suất sử dụng linh kiện bán dẫn và phương pháp tổ

hợp công suất kiểu cầu Wilkinson theo công nghệ mạch dải. Các kết

quả quan trọng đạt đƣợc nhƣ:

Thiết kế và chế tạo các mạch dao động siêu cao tần có tần số dao

động 2,45GHz với mức công suất lối ra lớn đạt 8,16 dBm và ổn định.

Mạch khuếch đại đệm AH201 với hệ số khuếch đại lớn hơn 13 dB và

hoạt động trong một dải thông lớn từ 1,6 GHz đến 2,7 GHz, do đó mạch

có khả năng ứng dụng cao trong thực tiễn nhƣ cho hệ thống thông tin di

động, hệ thống WIFI, radar và vai trò mạch khuếch đại đệm cho tầng

công suất trong hệ thống truyền năng lƣợng không dây MPT.

Module khuếch đại công suất dùng PTFA240451E đã đƣợc thiết

kế chế tạo với phƣơng pháp phối hợp trở kháng dải rộng, mỗi module

có mức công suất ra lớn nhất là 45 W, module này dùng làm cơ sở

cho việc xây dựng mô hình hệ thống trong đánh giá hiệu suất truyền

năng lƣợng không dây ở khoảng cách gần. Khi sử dụng các mạch cầu

Wilkinson để cộng công suất từ các module cơ sở 45W thì chúng ta

sẽ đạt đƣợc những bộ phát có công suất lớn hơn

pdf26 trang | Chia sẻ: lavie11 | Ngày: 14/12/2020 | Lượt xem: 47 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Tóm tắt Luận án Nghiên cứu giải pháp truyền năng lượng siêu cao tần công suất lớn, hiệu suất cao phục vụ cho khai thác năng lượng vũ trụ, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
CỨU GIẢI PHÁP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN CÔNG SUẤT LỚN, HIỆU SUẤT CAO PHỤC VỤ CHO KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG VŨ TRỤ TÓM TẮT: Giới thiệu về hệ thống truyền năng lƣợng không dây sử dụng sóng siêu cao tần: lịch sử phát triển của hệ thống, những yêu cầu đặc thù để ứng dụng thành công cho hệ thống vệ tinh khai thác năng lƣợng mặt trời trong cũ trụ truyền về trái đất. Nghiên cứu đề xuất giải pháp xây dựng các thành phần của phần phát năng lƣợng siêu cao tần dùng làm phần phát cho hệ thống năng lƣợng không dây bao gồm: mạch dao động, mạch khuếch đại đệm, mạch khuếch đại công suất và các giải pháp chia cộng công suất dùng mạch cầu Wilkinson. Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế chế tạo các Rectenna có hiệu suất cao phục vụ cho phần thu năng lƣợng siêu cao tần, đề xuất mô hình kết nối các Rectenna thành ma trận và thử nghiệm thành công hệ thống truyền năng lƣợng không dây thực tế trên mặt đất. A. MỞ ĐẦU Ngày nay, con ngƣời đang khai thác mạnh mẽ các nguồn tài nguyên hóa thạch sẵn có trên trái đất để phục vụ cho cuộc sống sinh hoạt của mình nhƣ năng lƣợng than đá, dầu mỏ, khí gas,...v.v. Tuy nhiên các nguồn tài nguyên này đang dần cạn kiệt và lâu dài không thể đảm bảo về vấn đề an ninh năng lƣợng. Con ngƣời đang hƣớng tới khai thác và sử dụng ngày càng nhiều các nguồn năng lƣợng sạch và tái tạo khác nhƣ năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh học, năng lƣợng sóng biển,...v.v. Đặc biệt năng lƣợng mặt trời đang đƣợc khai thác ngày càng nhiều. Mặc dù vậy việc khai thác này chủ yếu thực hiện trên bề mặt trái đất dẫn đến hiệu quả chƣa cao, dễ gây ô nhiễm môi trƣờng và đặc biệt bị ảnh hƣởng bởi hiện tƣợng ngày và đêm. Chính vì vậy, ngay từ những năm 1970 ngƣời ta đã đề xuất việc xây dựng một hệ thống vệ tinh thu năng lƣợng mặt trời trong vũ trụ rồi truyền về trái đất. Để thực hiện thành công hệ thống này cần có những giải pháp công nghệ về nhiều lĩnh vực nhƣ: - Giải quyết những vấn đề về công nghệ chế tạo bộ phận thu, biến đổi năng lƣợng mặt trời thành năng lƣợng điện một chiều thƣờng là các khối panel pin mặt trời. - Giải quyết những vấn đề về công nghệ chế tạo các thành phần siêu cao tần nhằm biến đổi từ năng lƣợng điện một chiều thành năng lƣợng siêu cao tần dạng chùm tia công suất lớn. 2 - Giải quyết những vấn đề về công nghệ chế tạo các thành phần thu năng lƣợng siêu cao tần trên mặt đất biến đổi thành năng lƣợng điện cung cấp cho tải tiêu thụ. Từ những lý do trên cho thấy việc nghiên cứu và đề xuất xây dựng mô hình truyền năng lƣợng không dây sử dụng sóng siêu cao tần hiệu suất cao là rất cần thiết, vì vậy tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu giải pháp truyền năng lượng siêu cao tần công suất lớn, hiệu suất cao phục vụ cho khai thác năng lượng vũ trụ” để thực hiện luận án của mình. Phạm vi nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu việc truyền năng lƣợng không dây sử dụng sóng siêu cao tần hoạt động ở băng tần ISM với tần số trung tâm bằng 2,45 GHz với mục đích ứng dụng trong việc xây dựng hệ thống vệ tinh thu năng lƣợng mặt trời trong vũ trụ truyền về trái đất. Phương pháp nghiên cứu: Phƣơng pháp phân tích, thiết kế, mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng siêu cao tần ADS (Advanced Design System ) của hãng Agilent kết hợp với phƣơng pháp thực nghiệm khoa học. Những đóng góp của luận án - Nghiên cứu, lựa chọn, ứng dụng các công nghệ phù hợp thiết kế, mô phỏng và chế tạo các mạch dao động có độ ổn định cao, mạch tổ hợp công suất kiểu cầu Wilkinson 4 và 8 đƣờng có suy hao nhỏ, mạch khuếch đại đệm và mô đun khuếch đại công suất dùng làm bộ phát siêu cao tần công suất lớn dùng linh kiện bán dẫn hoạt động trên băng tần S phục vụ cho mục đích chuyển đổi năng lƣợng điện một chiều thành năng lƣợng siêu cao tần công suất lớn phục vụ khai thác năng lƣợng vũ trụ cũng nhƣ cho ứng dụng truyền thông tin khi sử dụng sóng siêu cao tần ở băng tần ISM. - Nghiên cứu đề xuất giải pháp phối hợp trở kháng dải rộng, thay đổi nhiều thang trở kháng đặc trƣng trong việc thiết kế chế tạo mạch khuếch đại công suất dùng cho hệ thống truyền năng lƣợng không dây cũng nhƣ có thể ứng dụng cho hệ thống truyền thông tin hoạt động trong băng tần S. - Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các Rectenna bao gồm các mạch chỉnh lƣu siêu cao tần và anten mạch dải thực hiện chuyển đổi năng lƣợng siêu cao tần thành năng lƣợng điện một chiều với hiệu suất cao. Đề xuất giải pháp thiết kế chế tạo mạch chỉnh lƣu siêu cao tần kiểu nhân áp mới có khả năng cho điện áp lớn và hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng siêu cao tần thành năng lƣợng điện một chiều DC cao đạt trên 70%. 3 Bố cục của luận án Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị Mở đầu Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống truyền năng lƣợng siêu cao tần và những yêu cầu đặc thù khi sử dụng cho vệ tinh năng lƣợng mặt trời. Chƣơng 2. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại công suất phục vụ cho phần phát năng lƣợng sóng siêu cao tần. Chƣơng 3. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các Rectenna - Kết luận và kiến nghị. Danh mục các công trình khoa học của tác giả liên quan đến luận án Tài liệu tham khảo B. NỘI DUNG Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN VÀ NHỮNG YÊU CẦU ĐẶC THÙ KHI SỬ DỤNG CHO VỆ TINH NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1. Lịch sử phát triển của WPT 1.2. Khái quát hệ thống truyền năng lượng không dây Truyền năng lƣợng không dây WPT là việc truyền một năng lƣợng lớn dùng sóng điện từ truyền từ nơi này đến nơi khác mà không sử dụng dây dẫn. Hình 1.2 đƣa ra mô hình của hệ thống truyền năng lƣợng không dây sử dụng sóng siêu cao tần. Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống truyền năng lƣợng siêu cao tần. 4 1.3. Hệ thống vệ tinh thu năng lượng mặt trời SPS Cấu trúc của SPS bao gồm ba thành phần chính: phần thu nhận năng lƣợng mặt trời và biến đổi thành năng lƣợng điện một chiều DC; biến đổi năng lƣợng điện một chiều DC thành sóng siêu cao tần và hệ thống anten mảng đƣa chùm tia sóng siêu cao tần công suất lớn về trái đất. Mô hình SPS đƣa ra ở hình 1.3. 1.4. Hiệu suất Chúng ta chia hiệu suất MPT thành ba loại theo từng giai đoạn: hiệu suất biến đổi DC-RF bao gồm các tổn hao về định dạng chùm tia; hiệu suất thu nhận chùm tia đó là tỷ số của tất cả công suất các bức xạ trên công suất nhận đƣợc ở anten thu và hiệu suất biến đổi RF-DC. 1.5. Kết luận và mục tiêu của luận án Trong chƣơng 1 đã trình bày tổng quan về lịch sử phát triển, khái quát hệ thống truyền năng lƣợng không dây và tổng hợp những vấn đề cần quan tâm giải quyết khi ứng dụng hệ thống MPT cho hệ thống vệ tinh thu năng lƣợng mặt trời SPS truyền về trái đất. Tác giả có một số kết luận nhƣ sau: Hình 1.3. Mô hình hệ thống vệ tinh SPS. 5 - Truyền năng lƣợng không dây sử dụng sóng siêu cao tần MPT là hoàn toàn thực tiễn. Trên thế giới đã có nhiều công trình công bố về MPT với mục đích ứng dụng cho SPS trong tƣơng lai. - Hệ thống MPT cũng nhƣ SPS gần nhƣ chƣa đƣợc đề cập nghiên cứu ở trong nƣớc, mới chỉ có một số nghiên cứu của nhóm nghiên cứu do GS Đào Khắc An tại Viện Khoa Học Vũ Trụ Việt Nam, việc tiếp tục nghiên cứu sâu về MPT, SPS để giải quyết một số vần đề mấu chốt của hệ thống là rất quan trọng có giá trị thực tiễn và khoa học. - Đối với hệ thống MPT cũng nhƣ SPS vấn đề hiệu suất là rất quan trọng. Chúng ta cần quan tâm tới hiệu suất chuyển đổi từ năng lƣợng mặt trời thành năng lƣợng điện, hiệu suất chuyển đổi từ năng lƣợng điện thành năng lƣợng siêu cao tần trong không gian, hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng siêu cao tần thành năng lƣợng điện ở phía thu (Rectenna). - Tần số nên lựa chọn để thực hiện truyền năng lƣợng ứng dụng cho MPT và SPS là tần số 2,45GHz hoặc 5,8 GHz bởi trong dải tần này có cửa sổ suy hao thấp và cũng thuận lợi trong quá trình thử nghiệm vì không chịu sự kiểm soát từ cơ quan quản lý tần số. Trên cở sở đó tác giả đề xuất xây dựng một hệ thống MPT thực tế trên mặt đất với tần số truyền sóng là 2,45 GHz. Mục tiêu là thiết kế chế tạo các mạch tạo tín hiệu siêu cao tần; các mạch khuếch đại đệm; mạch khuếch đại công suất; các mạch chia/cộng công suất đồng pha, đồng biên độ sử dụng cho phía phát và thiết kế chế tạo các anten mạch dải và các mạch chỉnh lƣu siêu cao tần có hiệu suất cao sử dụng cho phía thu. Chương 2. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ khuếch đại công suất phục vụ cho phần phát năng lượng sóng siêu cao tần Các tấm pin mặt trời trong không gian gắn trên các vệ tinh năng lƣợng mặt trời SPS làm nhiệm vụ thu nhận năng lƣợng mặt trời và 6 chuyển đổi thành năng lƣợng điện một chiều DC. Nguồn điện một chiều DC này đƣợc sử dụng cho mạch dao động và các mạch khuếch đại công suất siêu cao tần. Các mạch điện này có nhiệm vụ chuyển đổi năng lƣợng điện một chiều DC thành năng lƣợng sóng siêu cao tần. Để có công suất siêu cao tần đủ lớn phát trong không gian tới phía thu năng lƣợng sóng siêu cao tần chúng ta cần thiết kế chế tạo các khối khuếch đại công suất lớn. 2.1 Cấu trúc chung của mạch khuếch đại Cấu trúc chung của mạch khuếch đại siêu cao tần sử dụng linh kiện tích cực đƣợc đƣa ra trên hình 2.2. Hình 2.2. Sơ đồ khối mạch khuếch đại siêu cao tần dùng transistor có phối hợp trở kháng. 2.2. Mạch dao động sử dụng SPF3043 2.2.1. Thiết kế chế tạo mạch Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động tần số 2.45 GHz đƣợc cho ở hình 2.5a. Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý (a) và mạch in (b) mạch dao động SPF3043. 7 2.2.2. Kết quả thực nghiệm Bộ tạo dao động phát đúng tần số, ta thu đƣợc cả các hài bậc 2, 3 và 4 chứng tỏ mạch đã đạt yêu cầu đề ra. Tại tần số thiết kế ta nhận đƣợc mức công suất lối ra là 8.16 dBm. 2.3. Mạch khuếch đại công suất dùng AH201 2.3.1 Thiết kế và mô phỏng Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất dùng AH201đƣợc đƣa ra ở hình 2.8 Hình 2.7. Kết quả đo thực nghiệm mạch dao động 2,45 GHz. Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất AH201. 8 Hình 2.10 là hình ảnh mạch in và sản phẩm sau khi chế tạo. Hệ số khuếch đại của mạch đạt trên 13 dB nhƣ chỉ ra trên hình 2.11b. Giá trị S21 là lớn hơn 12 dB trong khoảng tần số từ 1,6 GHz đến 2,7 GHz. Hình 2.10 và 2.1. Mạch in và sản phẩm và hệ số khuếch đại mạch khuếch đại dùng AH201. 2.4. Mạch khuếch đại công suất dùng PTFA240451E 2.4.1 Thiết kế và mô phỏng 2.4.1.1 Đề xuất phương pháp thiết kế Việc thiết kế mạch khuếch đại công suất dùng PTFA240451E bao gồm thiết kế các mạch phối hợp trở kháng lối vào và lối ra cho PTFA240451E. Tác giả đã đề xuất giải pháp pháp phối hợp trở kháng dải rộng, thay đổi nhiều thang trở kháng đặc trƣng. Sơ đồ khối mạch thiết kế đƣa ra ở hình 2.12. Hình 2.12. Sơ đồ khối mạch khuếch đại công suất siêu cao tần 45W dùng PTFA240451E. 2.4.1.2 Mạch phối hợp trở kháng lối vào Ở đây trở kháng đặc tính đƣợc chọn có giá trị là 25 . Theo đó giá trị trở kháng tải thực để thiết kế mạch phối hợp trở kháng là ZL = 9 9.98151 . Giá trị để tính kích thƣớc đoạn dây chêm để di chuyển vị trí trở kháng trên giả đồ Smith là Z0 = 25  với giá trị góc là 47,338 0 . Sử dụng phƣơng pháp phối hợp trở kháng dải rộng, thay đổi nhiều thang trở kháng đặc trƣng. Trong trƣờng hợp này, ta thiết kế với số đoạn N = 2. Ta có: Ta đạt đƣợc sơ đồ mạch phối hợp trở kháng lối vào nhƣ hình 2.17 Hình 2.17. Mạch phối hợp trở kháng lối vào. 2.4.1.3 Mạch phối hợp trở kháng lối ra Việc di chuyển giá trị trở kháng tới giá trị thuần trở tƣơng đƣơng với việc chêm một đoạn dây mạch dải có kích thƣớc đƣợc tính toán dựa trên giá trị chuẩn hóa Z0 = 25  và giá trị góc là 5,4 0 . Chọn số đoạn dây chêm N = 2, tránh phải thực hiện quá nhiều các tính toán dễ gây sai sót trong thiết kế. Áp dụng phƣơng pháp phối hợp trở kháng dải rộng, thay đổi nhiều thang trở kháng đặc trƣng. Vì N=2 ta chỉ cần tính Z1 và Z2 với các giá trị đầu vào trở kháng tải thuần trở ZL = 6.54555  và trở kháng đặc tính Z0 =50 . 10 Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp trở kháng lối ra mạch khuếch đại. Ta có: 2.4.2. Chế tạo và kết quả thực nghiệm 2.4.2.1 Chế tạo mạch khuếch đại Sản phẩm thực tế đƣợc đƣa ra ở hình 2.24. Hình 2.24 và 2.25 Sản phẩm chế tạo và hệ số khuếch đại. 2.4.2.2 Kết quả thực nghiệm Hình 2.25 minh họa kết quả đo của tham số S21. Hình 2.25. Giá trị S21 đo đƣợc trên máy phân tích mạng. Theo đó nhận thấy là hệ số khuếch đại đạt giá trị lớn hơn 11dB trong dải tần 2,4 GHz đến 2,7 GHz. Giá trị lớn nhất đạt đƣợc là 13,63 dB tại tần số 2,55 GHz. Các giá trị này là rất tốt nếu so sánh với các 11 giá trị đƣợc cung cấp trong datasheet tra cứu của PTFA240451E với giá trị lớn nhất là 14 dB. 2.4.2.3 Thực nghiệm kiểm tra phát công suất thực tế của bộ khuếch đại Để kiểm tra hoạt động của bộ khuếch đại sau khi thiết kế khuếch đại đệm AH201 và khuếch đại công suất dùng PTFA240451E ta sử dụng máy phân tích phổ nhƣ hình 2.29. Hình 2.29. Mô hình kiểm tra công suất phát. Kết quả đo đƣợc với lối vào là giá trị lớn nhất của máy tạo tín hiệu 14dBm đƣợc cung cấp trên hình 2.30. Theo đó giá trị đạt đƣợc là 39,7dBm tức là khoảng 9,33W. Hệ số khuếch đại tổng cộng của module khuếch đại công suất (gồm AH201 và PTFA240451E) là 25,7dB. Hình 2.30. Kết quả đo trên máy phân tích phổ. 12 2.5. Tổ hợp công suất bằng mạch cầu Wilkinson 2.5.1. Nguyên lý chung Mô hình tổ hợp công suất dùng cầu Wilkinson cho hệ thống truyền năng lƣợng không dây đƣợc minh họa ở hình 2.31. Hình 2.31. Mô hình tổ hợp công suất cho hệ thống MPT. 2.5.2. Mạch Wilkinson 4 đường Sử dụng các giá trị N=4 và Z0 = 50  tính toán với phần mềm ADS2009 đạt đƣợc sơ đồ nguyên lý mạch cầu Wilkinson 4 đƣờng nhƣ trên hình 2.34. Sơ đồ mạch in và sản phẩm trên hình 2.36. Hình 2.34. Sơ đồ nguyên lý mạch cầu Wilkinson 4 đƣờng. Kết quả đo hệ số suy hao S21 và hệ số phản xạ S11 lần lƣợt đƣợc đƣa ra ở hình 2. 73 và 2.38. Theo đó S21 đạt giá trị -6,023 dB ở tần số 2,45GHz. Hình 2.36. Sơ đồ mạch in và mạch thực tế 13 Hình 2.37 và 2.38. Tham số S21 và S11. 2.5.3. Mạch Wilkinson 8 đường Tƣơng tự trƣờng hợp 4 đƣờng, với các thông số tính toán N=8 và trở kháng đặc tính Z0 = 50  ta đạt đƣợc sơ đồ nguyên lý mạch cầu nhƣ hình 2.39. Theo hình 2.40 hệ số suy hao mô phỏng là 9,03dB tại tần số 2,45 GHz gần đạt tới giá trị tính toán lý thuyết. Hệ số truyền nhỏ hơn - 64dB ở tần số 2,45 GHz chứng tỏ mạch phối hợp trở kháng rất tốt. Sơ đồ mạch in thiết kế và mạch thực tế đƣợc đƣa ra ở hình 2.41. Hình 2.39. Sơ đồ nguyên lý mạch cầu WPD 8 đƣờng. 14 Hình 2.41. Sơ đồ mạch in và sản phẩm mạch WPD 8 đƣờng. Kết quả đo các hệ số suy hao S21 và hệ số truyền S11 lần lƣợt cho trên hình 2.42 và 2.43. Hình 2.42. Hệ số suy hao S21. Hình 2.43. Hệ số S11. Theo đó S21 đạt giá trị 9dB trong dải tần 2,4 GHz – 2,5 GHz. Điều đó có nghĩa là gần nhƣ không có suy hao khi thực hiện chia công công suất khi sử dụng mạch cầu Wilkinson này. Hơn thế nữa S11 cũng đạt giá trị nhỏ hơn -12 dB nghĩa là việc phối hợp trở kháng là khá tốt. 2.5.4. Tổ hợp công suất sử dụng các mạch cầu Wilkinson Trên cơ sở thiết kế chế tạo các mạch chia/cộng công suất đồng pha, đồng biên độ 4 và 8 đƣờng, tác giả đề xuất giải pháp tổ hợp công suất thành các với các mức công suất lối ra đạt 158W và 355W nhƣ hình 2.44 và 2.45. Hình 2.44, 2.45 Mô hình tổ hợp công suất WPD 4 và 8 đƣờng. 15 Nhận xét và kết luận chương 2 Tác giả đã đề xuất: Xây dựng các thành phần thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng siêu cao tần công suất lớn bao gồm các mạch tạo dao động, khuếch đại đệm và khuếch đại công suất sử dụng linh kiện bán dẫn và phương pháp tổ hợp công suất kiểu cầu Wilkinson theo công nghệ mạch dải. Các kết quả quan trọng đạt đƣợc nhƣ: Thiết kế và chế tạo các mạch dao động siêu cao tần có tần số dao động 2,45GHz với mức công suất lối ra lớn đạt 8,16 dBm và ổn định. Mạch khuếch đại đệm AH201 với hệ số khuếch đại lớn hơn 13 dB và hoạt động trong một dải thông lớn từ 1,6 GHz đến 2,7 GHz, do đó mạch có khả năng ứng dụng cao trong thực tiễn nhƣ cho hệ thống thông tin di động, hệ thống WIFI, radar và vai trò mạch khuếch đại đệm cho tầng công suất trong hệ thống truyền năng lƣợng không dây MPT. Module khuếch đại công suất dùng PTFA240451E đã đƣợc thiết kế chế tạo với phƣơng pháp phối hợp trở kháng dải rộng, mỗi module có mức công suất ra lớn nhất là 45 W, module này dùng làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình hệ thống trong đánh giá hiệu suất truyền năng lƣợng không dây ở khoảng cách gần. Khi sử dụng các mạch cầu Wilkinson để cộng công suất từ các module cơ sở 45W thì chúng ta sẽ đạt đƣợc những bộ phát có công suất lớn hơn. Chương 3. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC RECTENNA 3.1. Giới thiệu Sơ đồ khối của Rectenna đƣa ra trên hình 3.1. Hình 3.1. Sơ đồ khối của một rectenna. 16 3.2. Thiết kế anten thu 3.2.1. Antenna mạch dải đơn Anten mạch dải đơn đƣợc đƣa ra trên 3.7 dƣới đây. Hình 3.7. Sơ đồ layout và sản phẩm thực tế anten một chấn tử Hình 3.8. Hệ số phản xạ đo đƣợc từ máy phân tích mạng. Hệ số phản xạ nhỏ hơn -19 dB tại tần số 2,45 GHz. 3.2.2. Antenna mảng 1x4 Mạch thực tế anten 1x4 trên hình 3.12. Hình 3.12. và 3.13 Sơ đồ mạch in và sản phẩm thực tế anten mảng 1x4 và thông số S11 trên máy phân tích mạng. 17 Kết quả đo tham số S11 đƣợc đƣa ra ở hình 3.13. Theo đó hệ số phản xạ S11 là nhỏ hơn -17dB. Vì vậy, hệ số sóng đứng <1,5 dB. 3.2.3. Anten mảng 2x4 Trong phần này tác giả sẽ trình bày việc thiết kế chế tạo một anten mảng mạch dải kiểu 2x4. Trong đó các miếng patch đƣợc tiếp điện bằng các đoạn dây chêm qua rãnh đƣợc khoét sâu vào trong nó. Sơ đồ mạch in trên hình 3.14(a) Hình 3.14 (a) và 3.15 Sơ đồ mạch in của anten 2x4 và tham số S11 của anten 2x4. Kết quả đo tham số S22 của anten đƣợc đƣa ra ở hình 3.15. Theo đó hệ số phản xạ có giá trị nhỏ hơn -19 dB ở tần số hoạt động 2,45 GHz. 3.3. Thiết kế và chế tạo các mạch chỉnh lưu siêu cao tần 3.3.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ kiểu nối tiếp Sơ đồ mạch đƣa ra trên hình 3.16. Hình 3.16. Mạch chỉnh lƣu nối tiếp dùng SMS2820. 18 Mạch chỉnh lƣu kiểu nối tiếp đạt giá trị hiệu suất lớn nhất đạt 40% với tải là 220Ω nhƣ chỉ ra trên hình 3.18 Hình 3.18. Giá trị hiệu suất chuyển đổi RF-DC. 3.3.2 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ kiểu shunt Sơ đồ nguyên lý của mạch trên hình 3.19. Mạch đạt hiệu suất chuyển đổi RF-DC lớn nhất 39% với tải 330Ω. Hình 3.19. Sơ đồ mạch chỉnh lƣu song song. Hình 3.21. Giá trị hiệu suất chuyển đổi RF-DC. 19 3.3.3 Mạch chỉnh lưu kiểu nhân đôi điện áp Villard Mạch chỉnh lƣu nhân áp là một mạch khuếch đại biên độ trong đó sử dụng hai diode. Sơ đồ nguyên lý của mạch ở hình 3.22. Mạch đạt hiệu suất chuyển đổi RF-DC đạt 70% nhƣ chỉ ra trên hình 3.25. Hình 3.22. và 3.23. Sơ đồ nguyên lý mạch nhân áp và mạch in và sản phẩm mạch nhân áp Villard. Hình 3.25. Hiệu suất chuyển đổi RF-DC. 3.3.4. Mạch nhân áp phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây chêm đơn hở mạch 20 Sơ đồ mạch in và sản phẩm thực tế đƣa ra ở hình 3.28 dƣới đây. Kích thƣớc của mạch rất nhỏ gọn chỉ 3,5cmx2,5cm. So sánh với mạch nhân áp ở trên thì kích thƣớc mạch này nhỏ hơn. Hình 3.27 và 3.28. Mạch nhân áp phối hợp trở kháng đoạn dây chêm đơn hở mạch. Kết quả tính hiệu suất thực tế theo công suất vào của các trở tải khác nhau đƣợc đƣa ra ở hình 3.29 sau đây: Hình 3.29. Hiệu suất theo công suất vào của các trở tải thực tế. Giá trị hiệu suất lớn nhất đạt đƣợc của mạch là 71,5% với điện trở tải là 810Ω ở mức công suất vào là 23dBm. Cũng theo đó điện trở tải tối ƣu của mạch là các giá trị trong khoảng 810 Ω. Khoảng công suất cho giá trị hiệu suất cao trên 60% ở mức 23dBm cho hầu hết các điện trở tải. 21 3.3. Thử nghiệm hệ thống truyền năng lượng không dây Sau khi thiết kế chế tạo các thành phần của hệ thống truyền năng lƣợng không dây bao gồm các mạch khuếch đại và anten loa phục vụ cho phía phát, các mạch anten và chỉnh lƣu siêu cao tần phục vụ cho phía thu tác giả thực hiện thử nghiệm hệ thống truyền năng lƣợng không dây thực tế ở khoảng cách gần trên mặt đất.Mô hình thử nghiệm hệ thống đƣa ra ở hình 3.30 dƣới đây. Hình 3. 30. Mô hình hệ thống truyền năng lƣợng không dây thử nghiệm. Các Rectenna thử nghiệm này sử dụng anten mảng 2x4 và mạch chỉnh lƣu siêu cao tần nhân áp phối hợp trở kháng kiểu dây chêm đơn. Nhƣ vậy, mỗi Rectenna đều thể hiện đƣợc giải pháp cộng năng lƣợng sóng siêu cao tần ở lối vào và việc kết nối thành mảng thể hiện đƣợc giải pháp cộng năng lƣợng điện một chiều DC ở lối ra. Mảng Rectenna đƣợc kết nối theo mảng theo cấu trúc song song. Hệ thống đƣợc minh họa ở hình 3.31 dƣới đây. Hình 3.31. Mô hình hệ thống thực tế 22 Nhận xét và kết luận chương 3 Trong chƣơng 3, tác giả đã đề xuất : Xây dựng mô hình bộ thu năng lượng siêu cao tần làm nhiệm vụ chuyển đổi từ năng lượng siêu cao tần thành năng lượng điện một chiều bao gồm các mạch chỉnh lưu siêu cao tần và anten mạch dải. Những kết quả quan trọng đạt đƣợc trong chƣơng này là: Thiết kế, chế tạo các mạch chỉnh lƣu kiểu nối tiếp, song song và mạch chỉnh lƣu kiểu nhân điện áp. Đặc biệt qua kết quả đạt đƣợc từ mạch chỉnh lƣu nhân áp phối hợp trở kháng lối vào sử dụng đoạn dây chêm đơn cho hiệu suất chuyển đổi RF-DC lớn nhất với hiệu suất là 71,5%. Nhƣ vậy, tác giả đã thực hiện thiết kế và chế tạo thành công mạch Rectenna với hiệu suất cao có thể ứng dụng đƣợc cho mục đích truyền năng lƣợng không dây. Các kết quả này còn có thể đƣợc ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông sử dụng tần số nằm trong băng tần ISM. Các kết quả chính của chƣơng này đƣợc tác giả công bố trong các công trình 6-8 của tác giả. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận án là công trình nghiên cứu khoa học đề xuất giải pháp và xây dựng mô hình thực tế truyền năng lƣợng không dây sử dụng sóng siêu cao tần trên mặt đất để kiểm nghiệm tính thực tiễn của việc ứng dụng truyền năng lƣợng không dây trong khai thác năng lƣợng mặt trời ngoài vũ trụ truyền về trái đất. Trong luận án tác giả đi sâu vào việc nghiên cứu thiết kế chế tạo các thành phần dùng làm nhiệm vụ biến đổi năng lƣợng điện một chiều thành sóng siêu cao tần công suất lớn ở phía phát và các thành phần làm nhiệm vụ biến đổi năng lƣợng siêu cao tần thành năng lƣợng điện một chiều ở phía thu. Những kết quả chính luận án đạt đƣợc có thể tóm tắt nhƣ sau: - Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và chế tạo các mạch dao động có độ ổn định cao, mạch tổ hợp công suất kiểu cầu Wilkinson có suy hao nhỏ, mạch khuếch đại đệm và mô đun khuếch đại công suất dùng làm bộ phát siêu cao tần công suất lớn dùng linh kiện bán dẫn hoạt động trên băng tần S phục vụ cho mục đích chuyển đổi năng 23 lƣợng điện một chiều thành năng lƣợng siêu cao tần công suất lớn phục vụ khai thác năng lƣợng vũ trụ cũng nhƣ cho ứng dụng truyền thông tin khi sử dụng sóng siêu cao tần ở băng tần ISM. - Nghiên cứu đề xuất giải pháp phối hợp trở kháng dải rộng thiết kế chế tạo mạch khuếch đại công suất dùng cho hệ thống truyền năng lƣợng không dây cũng nhƣ có thể ứng dụng cho hệ thống thông tin hoạt động trong băng tần S. - Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và chế tạo các Rectenna bao gồm các mạch chỉnh lƣu siêu cao tần và anten mạch dải thực hiện chuyển đổi năng lƣợng siêu cao tần thành năng lƣợng điện một chiều với hiệu suất cao. Đề xuất giải pháp thiết kế chế tạo mạch chỉnh lƣu siêu cao tần kiểu nhân áp có khả năng cho điện áp lớn và hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng siêu cao tần thành năng lƣợng điện một chiều DC cao đạt trên 70%. Kiến nghị Với những kết quả đã đạt đƣợc, luận án đã xây dựng đƣợc một mô hình truyền năng lƣợng siêu cao tần trên mặt đất với hiệu suất cao sử dụng các linh kiện bán dẫn và chế tạo sản phẩm theo phƣơng pháp sử dụng mạch dải làm tăng khả năng tích hợp hệ thống khi ứng dụng vào thực tiễn. Tuy nhiên do phạm vi nghiên cứu rộng, nhiều thành phần của hệ thống cần nghiên cứu chế tạo, tính phức tạp và đòi hỏi công nghệ cao nên để hoàn thiện hơn nữa tác giả đề xuất các hƣớng nghiên cứu tiếp theo nhƣ sau: - Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống anten mảng pha có độ hƣớng tính cao cho phía phát; - Ứng dụng kỹ thuật điều khiển vào việc điều khiển chùm tia siêu cao tần công suất lớn. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 1. Đoàn Hữu Chức, Hoàng Đức Long, Bạch Gia Dƣơng (2012), “Thử nghiệm một khả năng phát công suất băng S ứng dụng cho truyền năng 24 lƣợng không dây”, Hội thảo toàn quốc về Điện tử - Truyền thông – An toàn thông tin, ATC/REV-2012, Hà nội, Việt nam, tr. 171-175; 2. Chuc Doan Huu, Long Hoang Duc, Duong Bach Gia(2013), “Study, design and fabrication of power amplifier module to be used for wireless power transmission system operating at S band”, Proceedings of the 2013 IEICE Internatinational Confe

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdftt_nghien_cuu_giai_phap_truyen_nang_luong_sieu_cao_tan_cong_suat_lon_hieu_suat_cao_phuc_vu_cho_khai.pdf
Tài liệu liên quan