Nghiên cứu mô phỏng thiết kế và chế tạo thử nghiệm ma trận anten thu rectenna 32 hoặc 64 phần tử nhằm ứng dụng trong lĩnh vực truyền công suất không dây

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC N ẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN ẠC Ĩ Họ v tên tác giả luận văn : Nguyễn Chung Đông Đề t i luận văn: Nghiên cứu, mô phỏn

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

LỜI CẢM ƠN vi

LỜI CAM ĐOAN vii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

DANH MỤC BẢNG xii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii

LỜI NÓI ĐẦU 1

ABSTRACT 2

TÓM TẮT 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ H T ỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂ 3

1.1 Một số điểm lịch sử phát triển chính của truyền năng lượng không dây 3 1.2 Động cơ thúc đẩy 3

1.3 Các phương pháp truyền công suất không dây 5

1.3.1 Truyền công suất không dây bằng phương pháp chùm tia 5

1.3.2 Truyền công suất không dây cảm ứng điện từ 5

1.4 Ứng dụng của công nghệ truyền năng lượng không dây 6

1.4.1 Ứng dụng công nghệ truyền công suất không dây bằng phương pháp chùm tia 6

1.4.2 Ứng dụng công nghệ truyền năng lượng không dây cảm ứng điện từ 6

1.5 Truyền công suất không dây trong không gian tự do 7

1.6 Tần số đối với truyền công suất không dây 8

1.7 Các vấn đề liên quan đến truyền công suất không dây 8

1.7.1 An toàn chùm tia 9

1.7.2 Sự cấp phát tần số hoặc bước sóng 9

1.7.3 Khả năng tài chính 10

1.8 ệ truyền công suất không dây sử dụng ch tia vi a công suất cao 10

1.8.1 phát i ba c a hệ t uyền công suất không dây 10

1.8.2 thu i ba c a hệ t uyền công suất không dây s dụng chùm tia i ba công suất cao 12

1.8.2.1 Ăng ten thu e tenn 12

1.8.2.2 ạ h h nh u 13

1.9 Phương pháp nghiên cứu 14

1.10 Tổng quan của luận văn 14

CHƯƠNG 2: CT NNA ĂNG T N TH V M CH CH NH LƯ 15

2.1 Ăng ten thu trong rectenna 15

2.1.1 Khái niệm ề ăng t n 15

2.1.2 M t số cấu t úc ăng t n có thể được s dụng để làm ăng t n thu t ong hệ truyền công suất không dây 16

2.1.3 Các thông số chính c a ăng t n 17

2.1.3.1 Đồ thị ph ơng h ớng bức xạ c ăng ten 17

2.1.3.2 Miền bức xạ c ăng ten (fie d zones) 18

2.1.3.3 Búp sóng ( obe) 19

2.1.3.4 Độ rộng búp sóng (be m width) 20

2.1.3.5 C ờng độ bức xạ (Radiation Intensity) 20

2.1.3.6 Độ định h ớng (Directivity) 21

2.1.3.7 Độ lợi (Gain) 21

2.1.3.8 Trở kháng vào 22

2.1.3.9 Hiệu suất c ăng ten 23

2.1.3.10 Ph ơng t ình F iis 24

2.1.3.11 Diện t h kh u độ hiệu dụng 25

2.2 Mạch chỉnh lưu 26

2.2.1 Các lo i m ch ch nh lưu 26

2.2.1.1 ạ h h nh u n sóng 26

2.2.1.2 ạ h h nh u u toàn sóng 27

2.2.1.3 ạ h h nh u nh n đôi điện áp 28

2.2.2 Đi ốt ch nh lưu chottky 29

2.3 Phần chuyển tiếp gi a ăng ten thu v ạch chỉnh lưu 32

2.4 iệu suất của ăng ten thu 33

2.5 Kết luận 34

CHƯƠNG 3: MÔ H NG, THIẾT KẾ CT NNA 35

3.1 Thiết kế tính toán kích thước ăng ten lưỡng cực vi dải sử dụng trong rectenna 35

3.2 Mô phỏng ma trận ăng ten lưỡng cực vi dải trong rectenna 38

3.2.1 Mô phỏng m t phần t ăng t n lưỡng cực vi dải 38

3.2.1.1 uá t ình mô ph ng b ng ph n mềm C tudio suite 39

3.2.1.2 Một số kết quả thu đ ợ s u khi mô ph ng 42

3.2.2 Mô phỏng ma trận ăng t n ct nna 44

3.2.2.1 ô ph ng ma trận rectenna 16 ph n t 46

3.2.2.2 ô ph ng ma trận rectenna 32 ph n t 48

3.2.2.3 ô ph ng ma trận rectenna 64 ph n t 50

3.3 ính toán tr kháng của đi ốt chottky 52

3.4 Thiết kế ô phỏng mạch chỉnh lưu 55

3.5 Kết luận 61

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHI M 62

4.1 Chế tạo ăng ten lưỡng cực vi dải đơn 62

4.1.1 Kết quả đo 11, V W , t ở kháng đầu ào ăng t n 63

4.1.2 Đo đ tăng ích Gain c a ăng t n 64

4.2 Chế tạo v đo ạch chỉnh lưu 67

4.3 Chế tạo v đo a trận rectenna 4 phần tử 71

4.4 Chế tạo v đo a trận rectenna 32 phần tử 72

4.5 Kết luận 78

KẾT LUẬN, DANH MỤC I ÁO KHOA HỌC V TƯƠNG LAI HÁT T IỂN 79

Kết luận chung 79

Danh mục i áo khoa học 80

ương lai phát triển của hệ truyền công suất không dây 81

T I LI U THAM KHẢO 82

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC N ẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN ẠC Ĩ

Họ v tên tác giả luận văn : Nguyễn Chung Đông

Đề t i luận văn: Nghiên cứu, mô phỏng, thiết kế và chế tạo thử nghiệm ma trận

ăng ten thu (rectenna) 32 hoặc 64 phần tử nhằm ứng dụng trong lĩnh vực truyền công suất không dây

Chuyên ng nh: Kỹ thuật Viễn Thông – Viện Điện tử Viễn Thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội

Mã số SV: CB141008

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 22 tháng 04 năm 2016 với các nội dung sau:

- Đã sửa chữa các kết quả mô phỏng hệ số định hướng, hệ số tăng ích của ma trận

16, 32 phần tử ăng ten dùng trong rectenna Mô phỏng thêm ma trận 64 phần tử ăng ten dùng trong rectenna

- Đã đưa các kết quả mô phỏng và các kết quả thực nghiệm lên cùng một đồ thị

để so sánh, kiểm chứng

- Thay đổi nội dung phần cuối: Kết luận, Danh mục bài báo khoa học đã công bố,

Định hướng phát triển tương lai của lĩnh vực truyền công suất không dây ở Việt Nam, So sánh và đánh giá kết quả so với một số công trình khoa học khác liên quan đến truyền công suất không dây

Ngày 03 tháng 05 năm 2016 Giáo viên hướng dẫn

Lâm Hồng Thạch

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Vũ Văn Yêm

ác giả luận văn

Nguyễn Chung Đông

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sỹ khoa học này được hỗ trợ về chuyên môn, kinh phí và được thực hiện tại phòng Vật liệu và Linh kiện năng lượng dưới sự hướng dẫn về mặt định hướng khoa học, phương pháp luận của GS.TSKH Đào Khắc An và giảng viên TS Lâm Hồng Thạch Luận văn thạc sỹ này được thực hiện trong khuôn khổ của đề tài

“Nghiên cứu ô phỏng i toán truyền năng lượng không dây v chế tạo thử nghiệm hệ thiết bị truyền năng lượng bằng ch tia vi a công suất cao”- mã số

VT/CB-03/13-15, thuộc chương trình Khoa học và Công nghệ vũ trụ giai đoạn

2012-2015 - chủ nhiệm đề tài: GS.TSKH Đào Khắc An

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy cố vấn khoa học GS.TSKH Đào Khắc An-Viện Khoa học Vật liệu và TS Lâm Hồng Thạch - giảng viên viện Điện tử Viễn thông, trường đại học Bách Khoa Hà Nội, là những người đã trực tiếp định hướng cho tôi thực hiện đề tài, hướng dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo tôi về nhiều mặt để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn thạc sỹ khoa học này Đồng thời, tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới KS Hoàng Huy Nam cán bộ thuộc phòng thí nghiệm của cục Tác chiến điện tử, đã giúp đỡ tôi tận tình về mặt chế tạo, đo đạc và hiệu chỉnh các thông số ăng ten để có được kết quả tốt nhất trong luận văn thạc sỹ của tôi

Ngoài ra, tôi xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các cán bộ nghiên cứu Phòng Vật liệu và Linh kiện năng lượng, Viện Khoa học vật liệu đã tạo điều kiện cần thiết, ủng hộ

về mặt tinh thần để tôi hoàn thành tốt luận văn thạc sỹ của mình Cuối cùng tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình tôi đã nuôi dưỡng và tạo điều kiện cho tôi được như ngày hôm nay, cảm ơn những người luôn ở bên tôi và ủng hộ tôi Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Học viên cao học

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của các nhân, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH Đào Khắc An, Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, TS Lâm Hồng Thạch, Viện Điện tử - Viễn Thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Các số liệu, kết quả, kết luận được tôi tham khảo đã được trích dẫn nguồn đẩy đủ Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên

Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận văn

Nguyễn Chung Đông

DANH MỤC ÌN VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1 1: Hiệu suất truyền không dây là hàm của thông số τ [20] 7

Hình 1 2: Sơ đồ khối đối hệ truyền công suất không dây 10

Hình 1 3: Máy phát vi ba 11

Hình 1 4: Circulator 11

Hình 1 5: Coupler định hướng/ máy đo công suất 12

Hình 2 1: Sơ đồ khối của rectenna 15

Hình 2 2: Cấu trúc của phần tử dipole 16

Hình 2 3: Ăng ten vi dải 17

Hình 2 4: Vùng bức xạ của ăng ten 18

Hình 2 5: Búp sóng của ăng ten 19

Hình 2 6: Độ rộng chùm nửa công suất 20

Hình 2 7: Mạch chỉnh lưu nửa sóng với bộ lọc tụ điện – nửa chu kỳ dương 26

Hình 2 8: Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ với bộ lọc tụ điện – nửa chu kỳ âm 27

Hình 2 9: Dạng sóng điện áp ra của mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ 27

Hình 2 10: Hoạt động của mạch chỉnh lưu trong nửa chu kỳ dương 28

Hình 2 11: Hoạt động của mạch chỉnh lưu trong nửa chu kỳ âm 28

Hình 2 12: Dạng sóng điện áp tải đối với mạch chỉnh lưu toàn sóng 28

Hình 2 13: Sơ đồ mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp 29

Hình 2 14: Mạch tương đương tuyến tính của đi ốt Schottky 30

Hình 2 15: Hiệu suất chuyển đổi công suất RF sang DC của đi ốt 31

Hình 2 16: Mô hình ăng ten được nối với mạch chỉnh lưu 33

Hình 3 1: Cấu trúc mặt trước ăng ten lưỡng cực vi dải 36

Hình 3 2: Thiết kế bộ cân bằng hình chữ J (mặt sau của ăng ten) 36

Hình 3 3: Cấu trúc ăng ten lưỡng cực vi dải với bộ cân bằng hình chữ J 37

Hình 3 4: Giao diện phần mềm mô phỏng CST 2013 39

Hình 3 5: Xây dựng mặt phản xạ kim loại 40

Hình 3 6: Xây dựng cấu trúc mặt trước của ăng ten 40

Hình 3 7: Xây dựng cấu trúc mặt trước của ăng ten 41

Hình 3 8: Thiết lập điểm tiếp điện cho ăng ten 41

Hình 3 9: Tối ưu các thông số của ăng ten với công cụ “ ptimi er” 42

Hình 3 10: Cấu trúc ăng ten đặt trên tấm phản xạ 42

Hình 3 11: Kết quả độ tổn hao do phản xạ S11 và hệ số tỷ lệ sóng đứng điện áp 43

Hình 3 12: Kết quả đồ thị phương hướng bức xạ của ăng ten 43

Hình 3 13: Sơ đồ sắp xếp ma trận rectenna 44

Hình 3 14: Ma trận 3D của 16 phần tử ăng ten rectenna 46

Hình 3 15: Sự sắp xếp 16 phần tử ăng ten với 16 điểm tiếp điện đồng biên đồng pha 46 Hình 3 16: Ma trận sử dụng 16 điểm tiếp điện đồng biên, đồng pha 47

Hình 3 17: Đồ thị phương hướng bức xạ của ma trận rectenna 16 phần tử ăng ten 47

Hình 3 18: Hiệu suất của ma trận ăng ten 16 phần tử 47

Hình 3 19: Ma trận 3D của 32 phần tử ăng ten rectenna 48

Hình 3 20: Sự sắp xếp 32 phần tử ăng ten với 32 điểm tiếp điện đồng biên đồng pha 48 Hình 3 21: Ma trận sử dụng 32 điểm tiếp điện đồng biên, đồng pha 49

Hình 3 22: Đồ thị phương hướng bức xạ của ma trận rectenna 32 phần tử ăng ten 49

Hình 3 23: Hiệu suất của ma trận ăng ten 32 phần tử 50

Hình 3 24: Ma trận 3D của 64 phần tử ăng ten rectenna 50

Hình 3 25: Hiệu suất của ma trận ăng ten 64 phần tử 51

Hình 3 26: Đồ thị phương hướng bức xạ của ma trận rectenna 64 phần tử ăng ten 51

Hình 3 27: Mạch tương đương của đi ốt Schottky HSMS-2820 52

Hình 3 28: Tổng trở kháng của đi ốt 54

Hình 3 29: Sơ đồ mạch chỉnh lưu 56

Hình 3 30: Sơ đồ khảo sát mạch chỉnh lưu theo điện trở tải và điện áp đầu vào 56

Hình 3 31: Tối ưu hóa mạch chỉnh lưu bằng phần mềm ADS 57

Hình 3 32: Layout của mạch chỉnh lưu trên phần mềm mô phỏng ADS 57

Hình 3 33: Đồ thị mô phỏng điện áp đầu ra theo Pin và Rload 58

Hình 3 34: Đồ thị kết quả mô phỏng công suất đầu ra theo Pin và Rload 59

Hình 3 35: Kết quả mô phỏng hiệu suất chỉnh lưu theo Pin và Rload 59

Hình 4 1: Cấu trúc mặt trước (phải) và mặt sau của ăng ten (trái) hoạt động tại tần số trung tâm 2,45 Gh 62

Hình 4 2: Sơ đồ đo hệ số phản xạ S11, VSWR, trở kháng đầu vào của ăng ten 63

Hình 4 3: Kết quả đo độ suy hao do phản xạ S11 và hệ số tỷ lệ sóng đứng điện áp VSWR 63

Hình 4 4:Kết quả đo trở kháng trở đầu vào ăng ten 64

Hình 4 5: Sơ đồ đo độ tăng ích của ăng ten 64

Hình 4 6: Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm độ suy hao do phản xạ S11 66

Hình 4 7: Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm độ suy hao do phản xạ S11 66

Hình 4 8: (a) Layout và (b) hình ảnh mạch chỉnh lưu chế tạo thực tế 67

Hình 4 9: Những hình ảnh đo và các máy đo mạch chỉnh lưu 68

Hình 4 10: Kết quả đo điện áp đầu ra theo Pin và Rload 68

Hình 4 11: Kết quả đo công suất đầu ra theo Pin và Rload 69

Hình 4 12: Kết quả đo hiệu suất chỉnh lưu theo Pin và Rload 69

Hình 4 13: Kết quả chế tạo thử nghiệm ma trận rectenna 4 phần tử trên tấm phản xạ 71 Hình 4 14: Sự sắp xếp ma trận rectenna mắc song song 32 phần tử trên tấm phản xạ 72 Hình 4 15: Ma trận rectenna 32 phần tử 72

Hình 4 16: Một số hình ảnh đo trong phòng thí nghiệm 73

Hình 4 17: Sơ đồ đo hiệu suất ra của ma trận rectenna 74

Hình 4 18: Kết quả đo điện áp đầu ra của ma trận rectenna 32 phần tử theo công suất đầu vào và điện trở tải 76

Hình 4 19: Kết quả đo tổng công suất đầu ra của ma trận rectenna 32 phần tử theo công suất đầu vào và điện trở tải 76

Hình 4 20: Kết quả đo tổng hiệu suất của ma trận rectenna 32 phần tử theo công suất đầu vào và điện trở tải 77

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3 1: Bảng kết quả các thông số mô phỏng ăng ten 43

Bảng 3 2: Bảng so sánh các thông số của các ma trận ăng ten rectenna 51

Bảng 3 3: Các thông số của đi ốt Schottky HSMS-2820 của nhà sản xuất 53

Bảng 3 4: Các thông số kích thước các đường vi dải 58

Bảng 3 5: Kết quả mô phỏng các thông số điện áp và công suất đầu ra, hiệu suất đỉnh của mạch chỉnh lưu theo điện trở tải và công suất đầu vào 60

Bảng 4 1: Bảng so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm các thông số của ăng ten 65 Bảng 4 2: Kết quả thực nghiệm các thông số điện áp ra, công suất ra và hiệu suất đỉnh của mạch chỉnh lưu theo điện trở tải và công suất đầu vào 70

Bảng 4 3: Bảng kết quả đo điện áp ra của ma trận rectenna 4 phần tử 71

Bảng 4 4: Kết quả đo công suất đầu ra theo công suất đầu vào và điện trở tải 75

DANH MỤC CÁC Ừ VIẾT TẮT

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền công suất không dây WPT (Wireless Power Transmission) có thể được xác định là một quá trình diễn ra trong một hệ thống mà năng lượng điện có thể được truyền từ nguồn điện (hoặc một vật bức xạ) đến một tải điện mà không cần dây dẫn Truyền công suất không dây được sử dụng trong các trường hợp sử dụng các dây dẫn

s nguy hiểm, giá thành cao và có thể bất khả thi

Trong nội dung đề tài nghiên cứu khoa học mang mã số VT/CB - 03/13 -15 thuộc Chương trình khoa học và công nghệ vũ trụ quốc gia, Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam, những người thực hiện đề tài đã nghiên cứu mô phỏng bài toán truyền năng lượng không dây và chế tạo thử nghiệm hệ thiết bị truyền năng lượng bằng chùm tia vi ba công suất cao trong phòng thí nghiệm ở khoảng cách nhất định giữa hai điểm Trong hệ truyền công suất không dây, ma trận rectenna (ăng ten thu và chỉnh lưu) đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất thu và chuyển đổi năng lượng của cả

hệ Việc nghiên cứu, phân tích, thiết kế và chế tạo thử nghiệm ma trận rectenna được những người tham gia đề tài hết sức quan tâm thực hiện

Chính vì những lý do trên, tôi đã chọn nghiên cứu giải pháp truyền năng lượng không dây bằng chùm tia vi ba công suất cao để làm luận văn thạc sỹ khoa học của

mình với tên đề tài: “ Nghiên cứu, mô phỏng, thiết kế à chế t o th nghiệm ma trận ăng t n thu ct nna 32 hoặc 64 phần t nhằm ứng dụng t ong lĩnh ực truyền công suất không dây” Trong phạm vi của luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành

Điện tử Viễn thông, tôi tập trung nghiên cứu một cách tổng quan về hệ truyền năng lượng không dây, sau đó tập trung làm rõ các vấn đề nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và chế tạo thử nghiệm ma trận anten thu (rectenna) gồm 32 phần tử anten và 32 mạch chỉnh lưu đơn hoạt động tại tần số 2,45 GHz nhằm phục vụ cho việc thu năng lượng trong hệ truyền công suất không dây trong phòng thí nghiệm

ABSTRACT

The work focuses on simulating, designing, measuring and testing an array of antenna and rectifier circuit (RECTENNA) optimized for incoming signal of high power density The rectenna is used to harvest electric energy from the microwave signal that has been radiated by transmitting antennas at ISM band centred in 2.45 GHz This work contains methods to simulate a 32-element rectenna array using simulation software of Computer Simulation Technology and Advanced Design Software of Agilent firm, to experimentally fabricate the rectenna array, and then to measure it with Vector Network Analyzer, spectral analyzer, digital generator, multimeter, and anechoic chamber

The primary goal of this thesis is to optimize the collection efficiency of rectenna array

ÓM ẮT

Bài luận văn này tập trung vào việc thực hiện mô phỏng, thiết kế, đo đạc và thử nghiệm ma trận ăng ten thu và mạch chỉnh lưu (rectenna) tối ưu hóa cho các tín hiệu sóng cao tần đầu vào với mật độ công suất cao Rectenna được sử dụng để thu năng lượng điện từ các tín hiệu vi ba được bức xạ bởi các ăng ten phát ở dải tần số ISM (Industry Science Medical) với tần số làm việc trung tâm là 2,45 GHz Bài luận văn này bao gồm các phương pháp mô phỏng ma trận rectenna 32 phần tử bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng CST (Computer Simulation Technology) và ADS (Advanced Design Simulation) của hãng Agilent, chế tạo thử nghiệm ma trận rectenna

và sau đó đo một vài thông số của ma trận bằng các thiết bị phân tích mạng v c tơ, máy phân tích phổ, máy phát xung vi ba, các máy đo trong phòng câm

Mục đích chính của luận văn này là tối ưu hiệu suất thu và chỉnh lưu của ma trận rectenna

C ƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG K ÔNG DÂY 1.1 Một số điểm lịch sử phát triển chính của truyền năng lượng không dây

Truyền công suất không dây đã được chứng minh rất nhiều lần trong suốt thế kỷ trước Ý tưởng này bắt đầu với các thực nghiệm của Nikola Tesla vào những năm 1890

và vẫn được tiếp tục cho đến ngày nay Tesla tin chắc vào giả thuyết truyền công suất không dây của ông, tuy nhiên không ai phê duyệt ý tưởng đó

Nikola Tesla (10/07/1856 – 07/01/1943) là vừa một nhà phát minh vừa là một kỹ sư

cơ khí và kỹ sư điện Nicola Tesla lần đầu tiên hình thành ý tưởng truyền công suất không dây bằng các sóng radio cách đây hơn 1 thế kỷ Ông đã cố gắng truyền dòng điện 10.000 mã lực bằng các sóng radio Ông nói rằng năng lượng này có thể được thu

ở tất cả mọi nơi trên toàn cầu với lượng công suất thu nhỏ Một trong những công dụng chính là chiếu sáng cho các ngôi nhà biệt lập [3]

Từ cuối thể kỷ 19 đến đầu thế kỷ 20 và trở về sau, tuy các sóng radio được sử dụng chính cho các thông tin và tin tức phát nhưng cũng có một vài cố gắng đã được tạo ra

để truyền công suất dựa trên công trình radio của Tesla Lý do cho việc thiếu quan tâm trong truyền công suất không dây ở nửa đầu thế kỷ đó là tần số radio quá thấp không phù hợp với kích thước ăng ten để phát chùm tia công suất theo yêu cầu Tuy nhiên, cuối chiến tranh thế giới thứ 2, các kỹ sư và các nhà khoa học bắt đầu kiểm nghiệm lại

ý tưởng nguyên bản của Tesla về việc truyền công suất điện bằng các sóng điện từ đến một nơi xa bởi vì các công nghệ vi ba công suất cao lúc này đã phát triển Tuy nhiên trên thực tế, công nghệ ống vi ba công suất cao vẫn chưa được phát triển tốt

1.2 Động cơ thúc đẩy

Sự ra đời của các vi điều khiển và cảm biến công suất thấp đã tạo ra một ngành công nghiệp có hiệu quả cao hơn mà mức độ tiêu thụ điện năng thấp hơn Điều này đã khuyến khích ý tưởng truyền công suất không dây ở một mức độ khác Với rất nhiều nguồn năng lượng vô tuyến xung quanh chúng ta, từ các điện thoại di động đến các

trạm thông tin di động đã giúp chúng ta có nhiều đối tượng để đi sâu vào nghiên cứu lĩnh vực truyền công suất không dây Do đó, điều này đã thúc đẩy việc thiết kế các mạch rectenna có hiệu suất cao hơn để sử dụng các loại cảm biến điện năng thấp một cách dễ dàng hơn

Nhu cầu phát triển của các hệ thống máy tính và cảm biến tạo tiền để cho sự phát triển của các phương pháp truyền công suất không dây Một số thông tin quan trọng về truyền công suất không dây được nhấn mạnh dưới đây:

- Ngành điện tử siêu cao tần ngày nay rất dễ tiếp cận, giá rẻ và đáng tin cậy cao hơn Trong quá khứ, việc tiếp cận với loại hình công nghệ này bị hạn chế cho mục đích quân sự và các ứng dụng thương mại Ngày nay, các linh kiện điện tử

có khả năng xử lý các tín hiệu tần số cao, người dùng có thể tận dụng chúng trong các ứng dụng đa dạng nhất từ việc điều khiển từ xa của các thiết bị điện tử đến các hệ thống viễn thông tiên tiến

- Việc sử dụng các thiết bị điện tử công suất thấp sử dụng các công nghệ CMOS mới nhất là bằng chứng gần như ở khắp mọi nơi Xu hướng hiện nay là thiết kế mạch tích hợp mới có hiệu quả năng lượng cao hơn và đồng thời có khả năng làm các công việc phức tạp hơn Vấn đề tiết kiệm năng lượng là vấn đề cần thiết

ở tất cả mọi nơi và các hệ thống điện tử mới chạy bằng pin có thời gian sử dụng dài hơn sự sự tiêu thụ điện năng thấp từ các mạch đó

- Máy tính hiện đại với khả năng xử lý rất cao làm cho việc thiết kế các mạch dễ dàng với chất lượng cao Ngành điện tử siêu cao tần thậm chí còn có thể giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp hơn là nhờ ăng ten được thiết kế thông minh

và dễ sử dụng hơn

1.3 Các phương pháp truyền công suất không dây

Những nhà khoa học trên thế giới đã và đang nghiên cứu hai phương pháp đối với truyền công suất không dây Đó là truyền công suất không dây sử dụng phương pháp chùm tia (vi ba hoặc laser) và phương pháp cảm ứng điện từ

1.3.1 Truyền công suất không dây bằng phương pháp chùm tia

Lịch sử nghiên cứu sau chiến tranh thế giới về truyền công suất không dây trong không gian vũ trụ được dẫn chứng bằng tài liệu của William C.Brown [3], là người đi đầu trong lĩnh vực truyền công suất không dây thực tế Brown đã thực hiện thành công thí nghiệm chứng minh việc máy bay trực thăng được cấp năng lượng bằng chùm vi ba tần số 2,45 GHz năm 1964 Tần số 2,45 GHz nằm trong dải tần số 2,4 – 2,5 GHz dành riêng cho các ứng dụng sóng radio tần số ISM (Industrial, Scientific and Medical) Hạn chế quan trọng nhất là an toàn chùm tia, sự cấp phát tần số và khả năng tài chính [4]

Để truyền năng lượng, người ta thường dụng công nghệ chùm tia công suất, có nghĩa là tạo ra bức xạ ở dạng chùm tia có mật độ công suất cao, rồi phát về phía bộ thu

Bộ thu có thiết bị anten thu, bộ chuyển đổi điện, rồi đưa ra mạng lưới điện

1.3.2 Truyền công suất không dây cảm ứng điện từ

Các hệ truyền công suất không dây cảm ứng được xác định là các hệ mà ở đó năng lượng được truyền từ một cuộn sơ cấp đến cuộn thứ cấp sử dụng từ trường xoay chiều [17]

Cấu trúc của hệ truyền công suất cảm ứng rất đơn giản Cấu trúc cơ bản bao gồm 1 nguồn AC sơ cấp, 1 cuộn cảm sơ cấp, 1 cuộn cảm thứ cấp và 1 tải ở đầu ra Bởi vì liên kết giữa cuộn cảm sơ cấp và thứ cấp được điều khiển bởi trường điện từ nên truyền công suất không dây cảm ứng chỉ có thể được thực hiện ở các khoảng cách nhỏ Trong năm 2001, Vandevoorde đánh dấu một liên kết cảm ứng mà truyền công suất 20W trên khoảng cách 1cm với hiệu suất tổng cộng là 80%

1.4 Ứng dụng của công nghệ truyền năng lượng không dây

1.4.1 Ứng dụng công nghệ truyền công suất không dây bằng phương pháp chùm

tia

Brown phát minh một linh kiện mới được gọi là “rectenna” để chuyển đổi công suất

vi ba thành công suất DC [3] cho thực nghiệm cấp năng lượng cho máy bay bằng chùm

vi ba Hiệu suất lớn nhất biến năng lượng sóng vi ba thành năng lượng một chiều DC là 84% đã thu được trong thí nghiệm chứng minh truyền công suất không dây bằng chùm tia vi ba giữa hai điểm cố định trên mặt đất, được thực hiện năm 1975 trong phòng thí nghiệm Jet Propulsion Laboratory Công suất được truyền thành công từ đĩa ăng ten phát dạng parabol cỡ lớn đến phía ăng ten thu là rectenna ở khoảng cách 1,6 km Điện

áp đầu ra DC là 30 kW [7]

Công nghệ chùm tia laser công suất cao từ khi phát minh ra đã được nghiên cứu khám phá chủ yếu để ứng dụng cho các loại vũ khí hiện đại Vũ khí dùng năng lượng trực tiếp của laser – DEW (Directed Energy Weapon) phát chùm tia ra theo một chiều, hướng đến mục tiêu để tiêu diệt Nó s truyền năng lượng cực lớn đến và phá hủy mục tiêu bởi vì nó ra nhiệt lượng cao, có thể làm nóng chảy, đốt cháy

1.4.2 Ứng dụng công nghệ truyền năng lượng không dây cảm ứng điện từ

Hiện nay, công nghệ sạc pin không dây sử dụng công nghệ cộng hưởng từ cho điện thoại, laptop thậm chí là các xe bus hoặc ô tô điện ở khoảng cách gần đã được hiện thực hóa với nhiều hãng điện tử công nghệ hàng đầu thế giới Công nghệ cho ph p dòng điện được truyền đi từ một bộ phát đến nhiều thiết bị tiếp nhận trong khoảng cách vài m t mà không quan trọng đến vị trí xếp đặt

Ứng dụng công nghệ truyền năng lượng không dây trong y học hiện đại, truyền năng lượng không dây vào cơ thể: cuộc cách mạng mới cho thiết bị y tế cấy gh p như các thiết bị nội soi có thể nuốt (pillcam), các máy điều hòa nhịp tim (pacemaker) hoạt động trọn đời, hay các bộ kích thích não (brain stimulator)

1.5 Truyền công suất không dây trong không gian tự do

Các khối phát và thu công suất đi qua không gian tự do sử dụng chùm tia vi ba là các khẩu độ ăng ten thu và phát Kích thước của các khẩu độ này liên quan trực tiếp đến bước sóng sử dụng Goubau và Schwering (1961) đã tìm được mối quan hệ giữa hiệu suất khẩu độ - khẩu độ và thông số τ (Hình 1 1):

Mối quan hệ này được biểu diễn bởi biểu thức:

t r

A A D





ở đây: At là diện tích khẩu độ phát

Ar là diện tích khẩu độ thu

λ là bước sóng của sóng vi ba công suất

D là khoảng cách giữa khẩu độ phát và khẩu độ thu

Hình 1 1: Hiệu suất truyền không d y à hàm thông số τ [20]

Từ biểu thức (1.1) trên đây, biểu thức đơn giản cho các diện tích khẩu độ phát và thu có thể được rút ra từ giả thiết kích thước các khẩu độ bộ phát và bộ thu bằng nhau

A P P

D



ở đây : Pd là mật độ công suất tại ăng ten thu

Pt là công suất bức xạ tổng cộng từ bộ thu

At là diện tích tổng cộng của ăng ten phát

1.6 Tần số đối với truyền công suất không dây

Việc lựa chọn tần số đối với truyền công suất không dây phụ thuộc vào một số tiêu chuẩn Nếu hoàn toàn có quyền tự do lựa chọn một tần số tốt nhất đối với truyền công suất không dây, chúng ta cần xem x t những điều kiện dưới đây:

- Diện tích các khẩu độ bộ phát và bộ thu phải thỏa mãn biểu thức (1.2)

- Sự phụ thuộc của hiệu suất toàn bộ hệ thống bao gồm các thiết bị ở điểm phát và điểm thu của hệ thống phụ thuộc vào tần số

- Các tổn hao bức xạ do nhiệt sinh ra do các khối thiết bị

- Các tổn hao do không gian truyền sóng

- Sự tác động của việc sử dụng tần số được lựa chọn

1.7 Các vấn đề liên quan đến truyền công suất không dây

Có ba vấn đề trong việc truyền công suất không dây bằng các sóng điện từ:

Chúng ta có thể truyền năng lượng mà không cần sử dụng dây dẫn như mặt trời vẫn truyền năng lượng xuống trái đất hằng này Tuy nhiên để truyền năng lượng trong thương mại mà không cần dây dẫn thì yêu cầu mật độ thông lượng năng lượng cao mà nếu mật độ thông lượng năng lượng cao quá mức có thể gây nguy hiểm cho con người

và các thiết bị

Công suất của hệ truyền công suất không dây phải giữ dưới mức quy định của hội đồng truyền thông liên bang Sử dụng các thiết bị phát hiện và cảnh báo tín hiệu sóng điện từ có công suất quá mức để đảm bảo an toàn [6]

1.7.2 Sự cấp phát tần số hoặc bước sóng

Vấn đề cấp phát tần số hoặc bước sóng luôn luôn là một vấn đề quan trọng đối với

hệ truyền công suất không dây bởi vì sự suy hao của sóng gây bởi môi trường truyền sóng như mây mưa, khí quyển Vì vậy, các tần số thường được sử dụng trong các hệ

truyền công suất nằm trong các của sổ tần số như tại tần số 2,45 GHz hoặc 5,8 GHz [5]

1.7.3 Khả năng tài chính

Dickinson (2003) [6] đã công bố hiệu suất truyền công suất bằng công nghệ chùm tia từ bộ phát đến bộ thu lớn hơn 50% Các kết quả này đã xua đi mọi nghi ngờ về tính khả thi của công nghệ truyền công suất không dây Trở ngại hiện tại duy nhất của hệ truyền công suất không dây là chi phí thực hiện rất đắt Truyền công suất không dây bao gồm các linh kiện có giá thành rất đắt Điều đó dẫn đến không có tính khả thi về việc phát triển thương mại, trừ khi hệ truyền công suất không dây có thể được thực hiện với giá thành vừa phải

1.8 ệ truyền công suất không dây sử dụng ch tia vi ba công suất cao

Hệ truyền công suất không dây được thể hiện trên Hình 1 2 Hệ bao gồm 2 thành phần chính: bộ phát và bộ thu Chúng được đặt tại hai điểm trong không gian hoặc trên mặt đất với khoảng cách nào đó tùy theo ứng dụng riêng của hệ Bộ phát có chức năng chuyển đổi công suất dòng một chiều hoặc xoay chiều thành tín hiệu công suất vi ba,

và phát nó ra ngoài không gian qua ăng ten phát Bộ thu gồm ăng ten thu và mạch chỉnh lưu với chức năng thu tín hiệu công suất vi ba và biến đổi nó thành công suất điện một chiều DC

Hình 1 2: ơ đồ khối đối hệ t uyền ông suất không d y

1.8.1 phát vi ba c a hệ t uyền công suất không dây

Thiết bị vi ba bao gồm nguồn phát công suất sóng vi ba và mạch điện điều khiển Nguồn phát công suất sóng vi ba phát các sóng vi ba ở tần số thích hợp Các nguồn phát công suất sóng vi ba phổ biến nhất là Magnetron, Klystron Người ta thường thêm một bộ phận circulator giữa Magnetron và tải

Những thuận lợi của các ống vi ba này là:

- Hiệu suất chuyển đổi cao từ DC sang sóng vi ba (lớn hơn 70%)

- Công suất đầu ra cao (từ hàng trăm W đến hàng trăm kW)

- Coupler định hướng/Máy đo công suất

Hình 1 5: Coup e định h ớng/ máy đo ông suất

- Ống dẫn sóng

1.8.2 thu vi ba c a hệ t uyền công suất không dây s dụng chùm tia vi ba

công suất cao

1.8.2.1 Ăng ten thu e tenn

Nhiều loại ăng ten có thể được phân loại theo khẩu độ, có nghĩa là ăng ten có diện tích khẩu độ lớn dễ xác định bằng bức xạ phát ra của chúng Ví dụ bao gồm các ăng ten phản xạ, ăng ten loa, ăng ten thấu kính và ma trận ăng ten Ăng ten không thể được xem là một thực thể riêng biệt bởi vì nó ảnh hưởng đến mạch chỉnh lưu và ngược lại Ăng ten thu và bộ chỉnh lưu cần phải được phối hợp trở kháng tốt để đảm bảo hiệu suất thu và chỉnh lưu của rectenna đạt cao nhất Do đó, chúng ta cần phải xem x t đến những điều dưới đây:

- Kích thước của ăng ten

- Hình dạng ăng ten

- Độ mở rộng chùm tia

- Độ tăng ích

- Hệ số tỷ lệ sóng đứng điện áp (VSWR)

Việc tối thiểu hóa hệ số tỷ lệ sóng đứng điện áp VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) là cần thiết để công suất phát đi từ ăng ten đến rectenna là lớn nhất Sự phản xạ gây ra lượng lớn nhiễu xạ trên ăng ten Một vài kiểu ăng ten được xem x t bao gồm các ăng ten lưỡng cực (ăng ten dipole), ăng ten đơn cực (monopole), ăng ten vi dải, ăng ten lưỡng cực vi dải (printed dipole antenna), ăng ten parabol Các yếu tố ảnh hưởng đến toàn bộ diện tích bề mặt của rectenna được xem x t cẩn nhận như sau:

- Công suất vi ba có thể được chỉnh lưu

- Mật độ công suất của bức xạ sóng vi ba đến

- Độ ăng ích của ăng ten

Thêm vào đó, hiệu suất của rectenna s bị giảm bớt nếu công suất sóng vi ba tới quá cao hoặc quá thấp

- Mạch chỉnh lưu cầu toàn sóng

Đi ốt là một bộ phận quan trọng của mạch chỉnh lưu trong rectenna Hiệu suất chuyển đổi RF-DC lớn nhất được xác định theo:

- Sự phụ thuộc vào mật độ năng lượng sóng vi ba tại đầu vào đi ốt

- Sự phụ thuộc vào tải tại đầu ra của đi ốt

Mặc dù hiệu suất thay đổi theo các kiểu cấu hình của rectenna nhưng các đặc tính của đi ốt sử dụng trong mạch chỉnh lưu được liệt kê dưới đây cũng hết sức quan trọng:

- Điện trở DC (chính là điện trở chuyển tiếp của đi ốt)

- Điện dung ký sinh

- Điện áp mở

- Điện áp đánh thủng

Rectenna thường sử dụng các loại đi ốt rào Schottky bởi vì các đặc tính của sóng vi

ba và điện áp phân cực khoảng từ 0,1 đến 0,3V; nhỏ hơn nhiều so với các đi ốt khác

1.9 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn này nghiên cứu và phát triển nhằm nâng cao hiệu suất ma trận rectenna thu và biến đổi công suất vi ba thành công suất điện một chiều DC Trước tiên nhất, tác giả phân tích, thiết kế, xây dựng ma trận rectenna Tiếp theo, mô phỏng cấu hình ma trận rectenna với các thông số đã được nghiên cứu, phân tích trước đó Chế tạo thử nghiệm ma trận rectenna theo các thông số đã mô phỏng rồi tiến hành đo hiệu suất thu của ma trận rectenna với một khoảng cách nào đó so với bộ phát Thảo luận các thông

số ảnh hưởng chính đến hiệu suất của ma trận rectenna, làm cơ sở để nâng cao hiệu suất của rectenna

1.10 Tổng quan của luận văn

Chương 1: Trình bày tổng quan về lịch sử phát triển, đặc điểm liên quan của các hệ truyền công suất không dây Trình bày mô hình chung hệ truyền công suất không dây

sử dụng chùm tia vi ba công suất cao, đặc biệt chú trọng nghiên cứu ma trận rectenna Chương 2: Trình bày về rectenna: định nghĩa, phân loại, nguyên lý hoạt động, một

số vấn đề liên quan đến các nghiên cứu về ma trận rectenna

Chương 3: Tập trung nghiên cứu, phân tích, thiết kế và mô phỏng ma trận rectenna nhiều phần tử (chủ yếu là rectenna 32 phần tử)

Chương 4: Trình bày các kết quả thực nghiệm chế tạo ma trận rectenna 32 phần tử, đưa ra các kết quả đo, bàn luận và so sánh hiệu suất của ma trận rectenna

Kết luận và phương hướng phát triển trong tương lai của lĩnh vực truyền công suất không dây

C ƯƠNG 2: C NNA ĂNG N V MẠC C ỈN LƯ 2.1 Ăng ten thu trong rectenna

Rectenna được gh p bởi 2 từ: “rectifier circuit” và “antenna” Rectenna nhận công suất vi ba ở đầu vào và biến đổi nó thành công suất điện một chiều (DC) ở đầu ra Rectenna là phần tử thụ động sử dụng điốt chỉnh lưu Schottky, có thể hoạt động không cần nguồn nuôi Rectenna có bộ lọc thông thấp giữa ăng ten và điot chỉnh lưu để chặn dòng một chiều chạy qua đi ốt, triệt tiêu năng lượng phản xạ từ đi ốt về ăng ten, ngoài

ra còn có bộ lọc sau mạch chỉnh lưu để làm phẳng tín hiệu điện áp ở đầu ra

Hình 2 1: ơ đồ khối c a rectenna

2.1.1 Khái niệm ề ăng t n

Ăng ten là một phần thiết yếu của bất kỳ hệ thống vô tuyến nào Theo như định nghĩa chuẩn IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) về thuật ngữ ăng ten, ăng ten được xác định như “một thiết bị để bức xạ và nhận sóng điện từ” Nói cách khác, ăng ten truyền là một thiết bị mà nó nhận tín hiệu từ đường truyền, chuyển chúng thành sóng điện từ và lan truyền vào không gian tự do Khi hoạt động ở chế độ nhận, ăng ten thu có chức năng ngược lại với ăng ten phát, nghĩa là tiếp nhận sóng điện từ từ không gian tự do rồi truyền tới máy thu Năng lượng điện từ mà ăng ten thu nhận được

từ không gian truyền sóng s được truyền tới máy thu và có một phần sóng bị bật ngược lại vào không gian nếu phối hợp trở kháng giữa ăng ten và tải không tốt Yêu

cầu của thiết bị ăng ten và cáp là phải thực hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất

Từ khi ra đời đến nay, ăng ten có nhiều cấu trúc với nhiều tên gọi khác nhau tùy thuộc vào hình dạng và đặc tính của ăng ten, có loại đơn giản nhưng cũng có loại rất phức tạp Tuy nhiên, ta có thể phân biệt chúng thành hai loại chính: ăng ten đẳng hướng (Omni-Directional) và ăng ten định hướng (Directional) Ăng ten đẳng hướng là ăng ten truyền tín hiệu sóng điện từ theo tất cả các hướng Ăng ten định hướng là loại ăng ten có thể bức xạ (hoặc thu) sóng điện từ theo một hướng nhất định cao hơn các hướng khác vì vậy nó phụ thuộc vào hệ số định hướng D(θ,φ) (hoặc độ tăng ích G(θ,φ))

2.1.2 M t số cấu t úc ăng t n có thể được s dụng để làm ăng t n thu t ong hệ

truyền công suất không dây

a Ăng ten dipole

Ăng ten dipole là loại đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất

là trường hợp riêng của ăng ten chấn tử đối xứng với chiều dài l , cho nên ta có thể xem x t các thông số ăng ten dipole thông qua ăng ten chấn tử đối xứng

b Ăng ten loa

Ăng ten loa là loại ăng ten bức xạ mặt phẳng Mặt phẳng bức xạ của ăng ten chính

là miệng loa Ăng ten loa được sử dụng ở các dãy tần số lớn hơn 1 GHz Loại ăng ten này thường có độ lợi và độ định hướng rất cao (cỡ 10 – 20 dB), tùy theo hình dạng của miệng loa mà ta các tên gọi khác nhau tương ứng

c Ăng ten vi dải

Ăng ten mạch in thường được gọi là ăng ten vi dải vì nó có kích thước rất nhỏ, có cấu trúc gồm các mảnh kim loại khắc trên nền điện môi có mặt đáy được phủ một lớp kim loại Đây là loại ăng ten gọn nhẹ, dễ chế tạo nhưng độ định hướng không quá cao (cỡ 5 – 8 dB) và có độ tổn hao điện môi lớn

Hình 2 3: Ăng ten vi dải

2.1.3 Các thông số chính c a ăng t n

2.1.3.1 Đồ thị ph ơng h ớng bức xạ c ăng ten

Đồ thị phương hướng bức xạ của ăng ten mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức

xạ hoặc công suất bức xạ của ăng ten trong các hướng khác nhau với một khoảng cách khảo sát cố định (tính từ ăng ten) Đồ thị phương hướng bức xạ được biểu diễn trong không gian ba chiều (có dạng hình khối) nhưng rất khó để hiển thị một cách đầy đủ

Thông thường đồ thị phương hướng bức xạ là một mặt cắt của đồ thị hướng tính ba chiều Đó là đồ thị phương hướng tính hai chiều trong hệ tọa độ cực hoặc trong hệ tọa

độ vuông góc

Để đơn giản, đồ thị phương hướng bức xạ thường được v từ hàm tính hướng biên

độ chuẩn hóa và được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hóa ăng ten Nó cho ph p so sánh đồ thị phương hướng bức xạ của các ăng ten khác nhau

Các đặc tính của đồ thị phương hướng bức xạ gồm mật độ thông lượng công suất,

độ mạnh của trường, cường độ bức xạ, độ định hướng, pha và sự phân cực

2.1.3.2 Miền bức xạ c ăng ten (fie d zones)

Không gian bao quanh một ăng ten thường được chia thành hai miền chính:

- Miền trường gần (Near field): gồm vùng không bức xạ và vùng bức xạ (Fresnel)

- Miền trường xa (Far field)

Hình 2 4: Vùng bức xạ c ăng ten

Miền trường gần (Near field) tập trung phần lớn năng lượng dao động tạo ra từ ăng ten mang tính chất điện kháng, năng lượng sóng tỏa ra được giữ nguyên công suất và không có năng lượng tiêu tán Giới hạn của vùng này thể hiện ở biểu thức

Hình 2 5: Búp sóng ăng ten

- Búp sóng chính (Mainlobe): chứa phương hướng sự bức xạ cực đại của ăng ten

- Búp sóng phụ (Sidelobe) là toàn bộ những búp sóng khác ngoài búp sóng chính Những búp sóng này có phương hướng bức xạ rất nhỏ, đây là những hướng bức

xạ không mong muốn

- Búp sóng sau (Backlobe): ngược hướng với búp sóng chính

2.1.3.4 Độ rộng búp sóng (beam width)

Thông thường ta phân biệt làm hai loại như sau:

- Độ rộng búp sóng nửa công suất (Half Power Beam Width): là góc giữa hai hướng có cường độ bức xạ bằng ½ giá trị cực đại trong mặt phẳng chức hướng bức xạ cực đại của búp sóng (cường độ bức xa ở giữa hai hướng này giảm 3 dB

so với hướng cực đại)

Hình 2 6: Độ rộng hùm n ông suất

- Độ rộng chùm giữa các bức xạ không đầu tiên (First Null Beam Width): trường tạo bởi hai tia xuất phát từ nguồn và tiếp tuyến với búp sóng chính tại nguồn điểm bức xạ

2.1.3.5 C ờng độ bức xạ (Radiation Intensity)

Cường độ bức xạ (U) của ăng ten theo một hướng cho trước là tỷ số giữa công suất bức xạ trên một đơn vị góc khối theo hướng đó Cường độ bức xạ là thông số được xác định trong miền trường xa Về mặt toán học nó được xác định như sau:

Độ định hướng của ăng ten theo một hướng cho trước là tỷ số giữa cường độ bức

xạ theo hướng này và cường độ bức xạ trung bình theo mọi hướng (nếu không đề cập đến một hướng cụ thể nào thì chúng ta ngầm hiểu là hướng có biên độ bức xạ cực đại)

Nếu ăng ten không tổn hao thì

Do các tổn hao tồn tại ở các khâu phối hợp trở kháng giữa đường truyền sóng và ăng ten, tổn hao đường truyền và tổn hao trên ăng ten (do điện môi, sai phân cực), công

suất bức xạ ( ) của ăng ten luôn nhỏ hơn công suất nhận được từ nguồn ( ) Vì vậy, trong thực tế độ lợi luôn nhỏ hơn độ định hướng

Ta có biểu thức sau:

Với hiệu suất bức xạ:

Đơn vị dùng để biểu diễn độ lợi là dBi (độ lợi của ăng ten định hướng) hay dBd (độ lợi của ăng ten lưỡng cực nửa sóng) Để chuyển đổi từ dBd sang dBi ta chỉ cần

cộng thêm 2,15 vào dBd để được dBi

2.1.3.8 Trở kháng vào

Trở kháng vào của ăng ten là tỉ số giữa điện áp U và dòng điện I tại đầu kết nối của ăng ten (điểm mà đường truyền dẫn tín hiệu được nối vào ăng ten) Trở kháng vào của ăng ten thường được biểu diễn dưới dạng số phức:

Với là điện trở thuần của ăng ten thực

Cảm kháng hay dung kháng của ăng ten ảo

Điện trở bức xạ

Điện trở tổn hao

Trở kháng vào của ăng ten thường được tính toán sao cho việc kết hợp năng lượng

là hiệu quả nhất giữa ăng ten và đường truyền dẫn Điều này chỉ có thể đạt được khi trở kháng đặc tính của đường truyền dẫn và trở kháng vào của ăng ten là như nhau và không có thành phần ảo Tuy nhiên rất khó loại bỏ đi thành phần ảo này trong ăng ten Trong thực tế một mạch phối hợp trở kháng thường được chế tạo như là một phần của ăng ten để thay đổi thành phần trở kháng của nó sao cho có thể phối hợp trở kháng với đường truyền dẫn tốt nhất

Trong hệ thống truyền năng lượng không dây (WPT) sử dụng chùm tia vi ba công suất cao thì hệ thống ăng ten phát và thu là yếu tố quyết định công suất và hiệu suất truyền, chính vì vậy sự lựa chọn kiểu ăng ten là sự tối ưu cho hệ thống Hệ WPT là hệ truyền năng lượng bằng cách sử dụng một chùm tia vi ba hẹp, có tính định hướng rất cao, mật độ công suất trên thiết diện tia rất lớn nên thiết kế tối ưu hóa ăng ten phải dựa trên những yêu cầu này

Trong các kiểu ăng ten ta có thể thấy có ăng ten kiểu parabol, ma trận ăng ten mạch dải đáp, ăng ten dipole trên mạch in ứng những yêu cầu của WPT sử dụng chùm tia vi ba:

- Đối với hệ thống ăng ten parabol bản chất là có hiệu suất cao, độ tăng ích lớn nhưng nhược điểm là nặng nề cồng kềnh khi gh p nối thành mảng, khó ghá lắp

- Ma trận ăng ten mạch dải, dipole mạch dải tuy có hiệu suất truyền nhỏ hơn parabol nhưng có ưu điểm là trọng lượng nhỏ hơn, nhất là khi sử dụng lớp điện môi là không khí - đây chính là ưu điểm lớn nhất khi đưa lên không gian vũ trụ,

sử dụng triệt để không gian khi gh p nối thành mảng lớn, mật độ công suất trên thiết diện của tia sóng truyền đồng đều hơn

Để khắc phục nhược điểm về hiệu suất của các loại ăng ten trên mạch in người ta

gh p bộ khuếch đại công suất trực tiếp đến từng phần tử trong mảng, bỏ đi những đường truyền cổ điển như feeder, waveguide , không còn bộ chia bằng mạch dải stripline, chọn lớp điện môi bằng không khí tự nhiên (ε =1) s cho kích thước phần tử lớn nhất, tối ưu số lượng phần tử (khoảng không gian mảng) khi diện tích mảng giới hạn

2.1.3.9 Hiệu suất c ăng ten

Ăng ten là thiết bị bức xạ và thu năng lượng cho nên ta cần quan tâm đến hiệu suất của nó để có thể đánh giá chính xác hiệu quả cũng như tổn hao về công suất mà ăng ten

mang lại Hiệu suất của ăng ten chính là tỷ số giữa công suất bức xạ và công suất

máy phát đưa vào ăng ten

(2.9) Hiệu suất tổng của ăng ten được sử dụng để đánh giá tổn hao trên ăng ten:

Trong đó: | | là hiệu suất do phản xạ (do không có phối hợp trở kháng

giữa ăng ten và đường truyền sóng) Hiệu suất phân cực ăng ten

hệ số phản xạ ngõ ra của ăng ten

Trở kháng vào của ăng ten Trở kháng đặc tính của dây truyền sóng Nếu không có tổn hao trong việc phân cực ăng ten, hiệu suất tổng được xác định bởi:

P S

ta có thể tìm được mật độ công suất bức xạ bằng bội số của độ định hướng bởi vì độ

định hướng được xác định bằng tỷ số cường độ bức xạ thực tế với cường độ bức xạ đẳng hướng tương đương Nếu ăng ten phát bị suy hao, chúng ta có thể kể đến yếu tố hiệu suất bức xạ có ảnh hưởng đến việc chuyển đổi độ định hướng sang độ tăng ích [2]

Vì vậy, biểu thức cho mật độ công suất được bức xạ bằng ăng ten phát nào đó là:

2

4

t t avg

PG S

là diện tích m2, chính vì vậy chúng ta có thể viết:

được coi như là sự thay thế độ định hướng D trong biểu thức (2.13) ở trên bởi độ tăng ích G của ăng ten

2.2 Mạch chỉnh lưu

2.2.1 Các lo i m ch ch nh lưu

Một trong những ứng dụng quan trọng của đi ốt bán dẫn là sử dụng trong việc chỉnh lưu các tín hiệu AC thành DC Các đi ốt được sử dụng rất phổ biến cho việc thu nguồn điện áp DC từ điện áp AC

Có những cách có thể thực hiện được để xây dựng các mạch chỉnh lưu sử dụng các

đi ốt Có 3 dạng mạch chỉnh lưu cơ bản dưới đây:

- Mạch chỉnh lưu nửa sóng

- Mạch chỉnh lưu cầu toàn sóng

- Mạch chỉnh nhân đôi điện áp toàn sóng

2.2.1.1 ạ h h nh u n sóng

Tụ điện là loại bộ lọc cơ bản được sử dụng phổ biến nhất Mạch chỉnh lưu nửa sóng đối với ứng dụng nguồn điện được thể hiện dưới đây Bộ lọc tụ điện được nối sóng song với tải

Hoạt động của mạch chỉnh lưu trong suốt 1 nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn được thể hiện trong dưới đây:

Hình 2 7: Mạch ch nh u n sóng với bộ lọc tụ điện – n a chu kỳ d ơng

Khi dòng điện đầu vào bắt đầu chuyển sang âm thì D1 đóng và tụ điện s xả điện chậm theo Hình 2 8 dưới đây:

Hình 2 8: Mạch ch nh u n a chu kỳ với bộ lọc tụ điện – n a chu kỳ m

Hình 2 9: Dạng sóng điện áp a mạch ch nh u n a chu kỳ

2.2.1.2 ạ h h nh u u toàn sóng

Trong các mạch chỉnh lưu cấp điện, mạch chỉnh lưu cầu (Hình 2 10) s được sử dụng Mạch chỉnh lưu cầu tạo ra điện áp đầu ra gấp đôi bởi vì mạch chỉnh lưu toàn sóng như là máy phát được nối ra ở giữa sử dụng điện áp thứ cấp giống nhau Thuận lợi của việc sử dụng loại mạch chỉnh lưu này đó là không cần yêu cầu máy phát được nối ở giữa

Trong suốt nửa chu kỳ dương (Hình 2 10), cả hai đi ốt D3 và D1 đều phân cực thuận Tại thời điểm này, cả hai đi ốt D2 và D4 đều phân cực ngược Chú ý rằng hướng dòng điện chạy qua tải