GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY
Truyền năng lượng không dây (WPT) là quá trình truyền năng lượng từ một nguồn đến một tải tiêu thụ mà không cần sử dụng dây dẫn Lĩnh vực này có thể được phân chia thành hai nhóm lớn.
Truyền năng lượng không dây thông qua phương pháp cảm ứng điện từ sử dụng ghép hỗ cảm (biến áp) và cảm ứng điện từ cộng hưởng Phương pháp này có cự ly truyền công suất ngắn, thường từ vài chục cm đến hàng chục mét trong vùng trường gần Hiện nay, công nghệ này đang phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong việc nạp điện cho điện thoại di động, máy tính PC, TV không dây, và các thiết bị lớn hơn Trong tương lai, nó hứa hẹn sẽ cho phép nạp điện cho ô tô, tàu điện và các phương tiện giao thông có công suất lớn.
Truyền năng lượng không dây thông qua chùm tia vi ba hoặc tia lade cho phép truyền tải năng lượng ở khoảng cách xa, từ vài km đến hàng trăm km giữa các điểm hoặc từ các quỹ đạo thấp (LEO), quỹ đạo trung (MEO) và quỹ đạo địa tĩnh (GEO) xuống mặt đất Công nghệ chùm tia (power beam technology) được sử dụng để truyền công suất cao, từ hàng trăm Watt đến MW, GW, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng, bao gồm việc truyền tải năng lượng lớn giữa các điểm và từ các quỹ đạo vào mặt đất Đặc biệt, phương pháp này còn có khả năng chế tạo các loại vũ khí mới, như vũ khí chùm tia, đang được phát triển mạnh mẽ và làm thay đổi quan niệm về mục đích chiến tranh truyền thống.
1.1.2 Một số mốc lịch sử phát triển chính của Truyền năng lượng không dây sử dụng sóng cao tần
-1864: James Clerk Maxwell đưa ra hệ phương trình về bức xạ sóng điện từ, về sau gọi là phương
-1894: Tesla đã Truyền năng lượng không dây bằng phương pháp cảm ứng điện từ để thắp sáng các đèn dây tóc tại phòng thí nghiệm
Năm 1904, tại hội chợ thế giới St Louis, một giải thưởng đã được trao cho nghiên cứu ứng dụng thành công trong việc truyền năng lượng không dây qua không gian, với một động cơ bay có công suất 0,1 mã lực (75W) và khoảng cách truyền đạt được là khoảng 30m.
-1961: William C.Brown công bố bài báo về phát triển khả năng Truyền năng lượng không dây bằng chùm tia vi ba Đây là một mốc quan trọng của WPT
Năm 1964, William C Brown đã trình diễn một báo cáo trên CBS News về mô hình máy bay trực thăng sử dụng năng lượng từ chùm tia vi ba, cho phép nạp năng lượng để tiếp tục bay.
Từ năm 1969 đến 1975, Brown đảm nhận vai trò giám đốc kỹ thuật của chương trình JPL Raytheon, nơi ông đã thành công trong việc phóng chùm tia công suất 30KW qua khoảng cách 1 hải lý với hiệu suất đạt 84%.
Năm 1968, Peter Glaser đã đề xuất ý tưởng truyền năng lượng không dây từ Mặt Trời thông qua công nghệ chùm tia công suất, đánh dấu thành công đầu tiên trong việc mô tả vệ tinh năng lượng mặt trời (Solar Power Satellite - SPS).
-1975: Liên hợp truyền thông vũ trụ Goldstone thực hiện các thí nghiệm truyền không dây tới hàng chục KW
Năm 2001, công ty Splashpower tại Anh đã phát triển công nghệ sử dụng cuộn dây cộng hưởng trên một mặt phẳng, cho phép truyền tải hàng chục watt điện năng đến các thiết bị gia dụng như đèn, điện thoại di động, và PDA.
Năm 2008, Intel đã tái hiện các thí nghiệm ban đầu của Tesla vào năm 1894 và nhóm của Giáo sư John Boys vào năm 1988, bằng cách cung cấp điện không dây cho một bóng đèn ở khoảng cách gần với hiệu suất đạt 75%.
1.1.3 Ứng dụng của công nghệ truyền năng lượng không dây
1.1.3.1 Nạp điện không cần ổ cắm cho các thiết bị chạy điện có dự trữ năng lượng
Hiện nay, công nghệ sạc pin không dây cho điện thoại và laptop đã được nhiều hãng điện tử hàng đầu thế giới hiện thực hóa, sử dụng công nghệ cộng hưởng điện từ Công nghệ này cho phép truyền dòng điện từ một bộ phát đến nhiều thiết bị tiếp nhận trong khoảng cách vài mét mà không cần quan tâm đến vị trí lắp đặt.
Công nghệ Truyền năng lượng không dây cũng đã được thử nghiệm áp dụng cho việc sạc điện cho xe bus tại Đức
Hình 1.1: Nạp điện bằng phương pháp truyền điện năng không dây cho xe ô tô
Khu vực nhà điều hành vận tải Đức Rhein-Neckar-Verkehr GmbH (RNV) đang triển khai dự án thí điểm kiểm tra tính khả thi của công nghệ sạc không dây cho xe buýt điện Hai xe buýt được trang bị công nghệ sạc cảm ứng, cho phép sạc không dây khi đón và trả hành khách tại các điểm dừng trên tuyến đường nội thành số 63 tại Mannheim Công nghệ này giúp xe không cần mang theo bộ ắc quy lớn mà vẫn có thể di chuyển quãng đường dài Ứng dụng công nghệ truyền năng lượng không dây trong y học hiện đại đang mở ra cuộc cách mạng mới cho thiết bị y tế cấy ghép.
Một nhóm kỹ sư tại Đại học Stanford đã chứng minh khả năng truyền năng lượng không dây bằng sóng vô tuyến vào một thiết bị y tế nhỏ chỉ 0,8mm được cấy ghép trong tim người bệnh Nghiên cứu cho thấy năng lượng không dây có thể thâm nhập đến 5cm dưới lồng ngực Được công bố trên tạp chí Applied Physics Letters bởi giáo sư Ada Poon và hai nghiên cứu sinh, nghiên cứu này hứa hẹn mở ra hướng mới trong cung cấp năng lượng cho thiết bị y tế cấy ghép, vượt trội hơn so với pin truyền thống về kích thước, độ đơn giản và sự thuận tiện Nhóm nghiên cứu tin rằng các thiết bị có thể bao gồm thiết bị nội soi có thể nuốt, máy điều hòa nhịp tim hoạt động trọn đời và bộ kích thích não.
1.1.3.2 Ứng dụng công nghệ Truyền năng lượng không dây truyền tải điện năng Để có thể đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài cho loài người, từ nhiều thập kỷ nay các nhà khoa học đã và đang tập trung tìm kiếm các nguồn năng lượng mới, trong đó có nguồn năng lượng mặt trời truyền không dây từ vũ trụ về mặt đất bằng công nghệ chùm tia vi ba và laser công suất cao Trong vũ trụ (ví dụ trên quỹ đạo địa tĩnh-GEO), ánh sáng mặt trời có gần như quanh năm, mật độ năng lượng mặt trời đạt cỡ 1340 W/m 2 , lớn gấp gần 8 lần so với năng lượng trung trình trên mặt đất Lượng năng lượng này còn lớn hơn rất nhiều lần so với số lượng năng lượng cả trái đất dùng trong 1 năm Vì vậy, biến đổi năng lượng mặt trời sang dạng chùm tia vi ba hoặc laser với công suất cao (cỡ GW đến TW) rồi truyền về trái đất (hoặc truyền từ một điểm đến một điểm trong vũ trụ), sau đó chuyển sang dạng điện năng, đưa đến nơi sử dụng được coi là giải pháp có tính khả thi nhất, đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài cho loài người Các nhà khoa học cũng đặt mục tiêu phấn đấu đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ năng lượng mặt trời ngoài vũ trụ thành điện năng trên 50% Nếu việc này được thực hiện thành công thì đây sẽ là một cột mốc lịch sử đánh dấu sự thay đổi cả về công nghệ lẫn cơ sở hạ tầng của hệ thống năng lượng trên thế giới.Trong luận văn này tác giả nghiên cứu nâng cao hiệu suất truyền dẫn năng lượng bằng phương pháp sử dụng chùm tia viba tại tần số 2,45GHz.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN DẪN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY
1.2.1 Khái niệm trường gần, trường xa
Trong lĩnh vực thông tin vô tuyến, kích thước của ăng ten D thường nhỏ so với khoảng cách giữa ăng ten phát và thu Do đó, trường gần được định nghĩa là khu vực gần ăng ten phát, với khoảng cách nhất định.
R nhỏ hơn hoặc chỉ bằng cỡ bước sóng λ, còn trường xa là khu vực có khoảng cách đến ăng ten phát lớn hơn rất nhiều so với bước sóng
Trong trường hợp ăng ten có kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng, như khi truyền năng lượng mặt trời từ quỹ đạo địa tĩnh về Trái Đất, ăng ten có thể đạt kích thước hàng ngàn mét trong khi bước sóng chỉ khoảng một phần mười mét Đối với tình huống này, chúng ta cần áp dụng công thức phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.
Trong khu vực gần nguồn phát, điện trường được mô tả bởi công thức 0 D r = (1.1), nơi mà trường mang tính cảm ứng Giá trị điện trường tại các điểm trong khu vực này thay đổi theo sự dao động điều hòa của nguồn phát, và năng lượng trường không bức xạ.
Khu vực trường xa được xác định bởi giới hạn 2D 2 r (1.2), nơi mà trường có tính bức xạ và năng lượng di chuyển ra xa nguồn phát.
Giữa hai miền này là miền Fresnel, nơi phân bố năng lượng trường bắt đầu định dạng và có xu hướng rời xa nguồn (bức xạ)
Không bức xạ – Non Radiative
Bức xạ – Radiative ( Miền Fresnel )
( Sử dụng truyền năng lượg ) ( Sử dụng truyền thông tin ) Ăng ten phát
Hình 1.2: Phân chia vùng trường gần, trường xa theo kích thước bước sóng
1.2.2 Một số đặc tính truyền sóng trong miền trường gần và trường xa
Sóng điện từ bao gồm thành phần điện trường E và từ trường H, tùy theo đặc tính môi trường chúng có thể mang một số đặc tính khác nhau
Mối quan hệ giữa E và H rất phức tạp, với khả năng sóng phân cực theo nhiều cách cùng một lúc tại cùng một vị trí không gian Trường điện từ trong miền trường gần phụ thuộc vào bước sóng hoặc khoảng cách.
Trong miền trường gần, mối quan hệ giữa điện trường (E) và từ trường (H) rất phức tạp, với sự nổi trội của từng thành phần tại mỗi điểm và các mối tương quan trái chiều có thể xảy ra Việc xác định mật độ bức xạ trở nên khó khăn do cần biết cả độ lớn và pha của E, H Trường điện từ không chỉ truyền phát ra vùng trường xa mà còn có thành phần phản ứng với sóng điện từ, thể hiện tính nhạy cảm và tương tác của trường xung quanh anten Sóng trong miền này cũng bị hấp thụ, và một phần năng lượng có thể lưu trữ và truyền qua lại tại bề mặt anten Nếu một trong hai hiệu ứng cảm ứng từ hoặc tĩnh điện trong miền trường gần truyền năng lượng cho các điện tử trong vật dẫn của anten, năng lượng này sẽ bị suy hao mất mát.
Miền trường gần bức xạ (miền Fresnel) là khu vực mà khoảng cách từ bề mặt ăng-ten đến nguồn phát khá xa, dẫn đến sự liên kết ngược của các thành phần trường bị hạn chế Điều này làm giảm khả năng lưu trữ năng lượng giữa các hiệu ứng cảm ứng từ và cảm ứng điện Trong miền Fresnel, năng lượng chủ yếu là năng lượng bức xạ, mặc dù vẫn có sự tồn tại của điện trường E và từ trường.
H vẫn rất khác so với miền trường xa Mối quan hệ giữa E và H cũng chưa miêu tả được tường minh
Mối quan hệ giữa điện trường (E) và từ trường (H) trong sóng phân cực có đặc tính chặt chẽ và đồng hành cùng nhau ở mọi thời điểm và vị trí trong không gian Trong miền trường xa, phân bố trường không phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn anten phát và cấu trúc anten Trở kháng của sóng truyền trong vùng trường xa được xác định là tỷ số giữa độ lớn của điện trường và từ trường.
Nếu sử dụng C vận tốc ánh sáng trong chân không là 3x 10^8 m/s thì:
1.2.3 Cơ sở lý thuyết của kỹ thuật Truyền năng lượng không dây trường gần 1.2.3.1 Hiện tượng cảm ứng điện từ
Theo định luật Faraday về cảm ứng điện từ, khi từ thông qua một mạch điện thay đổi, suất điện động cảm ứng sẽ xuất hiện Nếu mạch là một dây dẫn kín, sẽ có dòng điện cảm ứng xuất hiện Suất điện động cảm ứng xảy ra trong hai trường hợp: khi mạch đứng yên trong một từ trường biến thiên hoặc khi mạch di chuyển trong từ trường Định luật này có thể được biểu diễn thông qua các công thức định lượng.
Trong đó: + E là điện trường cảm ứng
+ ds là một phần tử vô cùng bé của vòng kín
Độ lớn của dòng điện cảm ứng trong một vòng dây phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của từ trường, trong khi chiều của dòng điện phụ thuộc vào việc từ trường đó đang tăng hay giảm.
1.2.3.2 Truyền năng lượng không dây theo phương pháp cảm ứng điện từ
Truyền năng lượng qua liên kết cảm ứng từ là nguyên lý hoạt động của biến thế điện, một ví dụ tiêu biểu về truyền năng lượng không dây Trong hệ thống này, mạch điện sơ cấp và thứ cấp không được kết nối trực tiếp, nhưng lại hoạt động nhờ vào cảm ứng tương hỗ Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là khoảng cách truyền năng lượng rất ngắn, yêu cầu hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp phải ở gần nhau hoặc lồng vào nhau Hình 1.3 minh họa sơ đồ mạch điện của một biến thế với hệ số cảm ứng từ là M.
Hình 1.3: Truyền năng lượng không dây theo nguyên lý cảm ứng từ
Cảm ứng từ tương hỗ xảy ra khi có sự thay đổi dòng điện trong cuộn dây, dẫn đến điện thế cảm ứng trong cuộn dây bên cạnh Đây là cơ chế quan trọng của biến thế Hệ số cảm ứng M có giá trị từ 0 đến 1 và được tính theo công thức cụ thể.
Hệ số hỗ cảm (k) liên quan đến độ tự cảm của cuộn sơ cấp (L1) và cuộn thứ cấp (L2) Hiệu điện thế trong cuộn dây sơ cấp (V1) được tính dựa trên các thông số này.
Khi xác định số vòng dây cuộn sơ cấp và số vòng dây cuộn thứ cấp, mối liên hệ giữa hiệu điện thế của hai cuộn dây có thể được tính toán thông qua công thức cụ thể.
Vs là hiệu điện thế trên cuộn dây thứ cấp, trong khi Vp là hiệu điện thế trên cuộn dây sơ cấp, thường kết nối với nguồn điện Ns đại diện cho số vòng trong cuộn dây thứ cấp.
Np là số vòng trong cuộn dây sơ cấp
1.2.3.3 Truyền năng lượng bằng phương pháp cảm ứng điện từ
Bây giờ ta loại bỏ các lõi sắt và đặt hai cuộn dây ra xa một chút, như thể hiện trong hình dưới đây:
Hình 1.4: Truyền năng lượng công suất không dây trường gần nhờ cảm ứng điện từ
GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT TRUYỀN
Hình 1.8: Truyền công suất sử dụng chùm tia vi ba
So với phương pháp truyền năng lượng bằng chùm tia vi ba, phương pháp truyền năng lượng bằng tia laser có một số ưu điểm nổi bật như kích thước thiết bị nhỏ gọn nhờ bước sóng ngắn của tia laser Tuy nhiên, phương pháp này cũng gặp phải một số nhược điểm, bao gồm suy hao lớn hơn trong khí quyển, vấn đề an toàn cho con người và môi trường khi sử dụng tia laser công suất cao, và hiệu suất truyền thấp hơn so với hệ thống sử dụng chùm tia vi ba.
1.3 GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT TRUYỀN
1.3.1 Công thức truyền sóng trong không gian tự do
Giả sử có một nguồn bức xạ vô hướng với công suất phát P_T (W) tại điểm O trong môi trường không gian tự do đồng nhất và không hấp thụ, có hệ số điện môi tương đối ε' = 1 Tại điểm M cách O một khoảng r (m), ta sẽ xem xét trường bức xạ.
Hình 1.9: Nguồn bức xạ vô hướng trong không gian tự do
Nguồn bức xạ phát ra năng lượng sóng điện từ theo hình cầu, do môi trường đồng nhất và đẳng hướng Mật độ công suất, hay mật độ thông lượng năng lượng, tại điểm M cách nguồn một khoảng r được xác định bằng công thức cụ thể.
Khi nguồn bức xạ có hướng, năng lượng sóng vô tuyến điện sẽ được tập trung về điểm M, được biểu thị bằng hệ số hướng tính hoặc hệ số khuếch đại, như minh họa trong Hình 1.10.
Hình 1.10: Nguồn bức xạ có hướng
Trong trường hợp này mật độ công suất được xác định theo công thức
Khi tính toán tuyến, việc xác định công suất ăng ten thu nhận được (P R) là rất quan trọng để đảm bảo máy thu hoạt động hiệu quả Công suất ăng ten thu nhận được được tính bằng cách nhân mật độ thông lượng công suất tại vị trí ăng ten với diện tích hiệu dụng của ăng ten đó.
Diện tích hiệu dụng củ ăng ten thu bằng diện tích thực tế nhân với hiệu suất làm việc :
Trong các hệ thống truyền dẫn vô tuyến, mối quan hệ giữa hướng tính và diện tích hiệu dụng của ăng ten gương parabol tròn xoay được xác định qua một công thức cụ thể.
Thay công thức (1.10) và (1.13) vào công thức (1.11) ta có :
C là vận tốc ánh sáng, f là tần số làm việc
Nếu biểu thị cự ly r (km), công suất bức xạ P T (kW), ta có công thức
1.3.2 Bài toán Truyền năng lượng không dây (WPT) từ vũ trụ về trái đất bằng phương pháp sử dụng chùm tia Vi ba 2,45GHz
Mô hình SPS sử dụng chùm tia vi ba công suất lớn đã được mô phỏng để nghiên cứu hiệu suất truyền năng lượng tại các khoảng cách khác nhau Một trong những thách thức lớn nhất trong việc truyền năng lượng bằng chùm tia điện từ là duy trì khoảng cách lớn với suy hao nhỏ, điều này trở thành trung tâm nghiên cứu cho giải pháp tạo nguồn năng lượng từ vũ trụ trong thế kỷ 21 Việc tìm ra giải pháp tối ưu cho hệ thống truyền dẫn năng lượng không dây (WPT) là rất quan trọng Trong hệ thống truyền dẫn thông tin, phương trình truyền Friis được sử dụng để tính toán năng lượng từ ăng-ten phát đến ăng-ten thu ở khoảng cách xa, cho thấy năng lượng giảm theo bình phương khoảng cách, điều này dường như mâu thuẫn với ý tưởng truyền dẫn năng lượng không dây Tuy nhiên, khi xem xét diện tích khẩu độ của ăng-ten phát và thu, có thể viết lại phương trình Friis để hiểu rõ hơn về vấn đề này.
Trong không gian tự do rộng vô hạn ta có :
FS r t t r dB P dB G dB G dB
P( ) ( ) ( ) ( ) ( đơn vị dB) (1.17) Ở dạng tích :
= η ( Hiệu suất ) (1.18) Trong đó tổn hao trong không gian tự do FS là :
Ta lại có hệ số tăng ích lớn nhất G max của ăng ten : r A hd
(A hd : Diện tích hiệu dụng của khẩu độ ăng ten)
Và có tham số τ đại diện cho hiệu hiệu suất truyền dẫn (η) [Goubau và Schwering
Công suất thu được (P r) và công suất năng lượng truyền (P t) là hai yếu tố quan trọng trong hệ thống truyền thông, trong đó Gr là độ tăng ích của ăng-ten thu và G t là tăng ích của ăng-ten phát Diện tích (khẩu độ) của ăng-ten thu được ký hiệu là A r, còn diện tích của ăng-ten phát là A t Cuối cùng, λ đại diện cho bước sóng trong công thức liên quan đến hiệu suất truyền tải năng lượng.
(1.22) ta thấy rằng nếu tăng diện tích khẩu độ A t , A r thì => τ > 1 thực tế này xảy ra trong miền trường gần bức xạ (Miền Fresnel) vì
Trong điều kiện 2d t 2 r, có nghĩa là P r > P t, điều này tạo ra một nghịch lý Tuy nhiên, nó chứng minh rằng giá trị công suất nhận được Pr không phụ thuộc vào r khi τ > 1, ngay cả khi xem xét khoảng cách của quỹ đạo địa tĩnh.
Vệ tinh địa tĩnh ở độ cao 36.000 km phân bổ năng lượng tập trung tại trung tâm Rectenna theo hình Gauss Do đó, phương trình Friss không phù hợp để tính toán trong truyền dẫn năng lượng không dây (WPT) Trong phương pháp tính toán này, chúng ta sử dụng một trong các tham số τ để tính toán năng lượng thu được và hiệu suất truyền dẫn (η).
Truyền dẫn năng lượng không dây sử dụng chùm tia vi ba (WPT) có khả năng truyền năng lượng đến mọi điểm trên mặt đất trong tầm nhìn thẳng và cả trong không gian.
Hiệu suất truyền tải năng lượng qua phương thức này đã được thực nghiệm và đạt khoảng 90% Những khái niệm cơ bản được rút ra từ các thí nghiệm của Goubau đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về quy trình này.
Nghiên cứu của Schwering và C Brown cho thấy hiệu quả truyền tải điện có thể đạt gần 100% khi tham số τ = A / (λr) lớn hơn 2, với mặt phân bổ năng lượng của đường truyền theo hình Gaussian Trong đó, A là khẩu độ trung bình hình học của ăng ten phát và ăng ten thu (At và Ar), λ là bước sóng, và r là khoảng cách đường truyền.
Ví dụ: Ta có hiệu suất truyền là 99,63 % tại τ = 2,4 thể hiện trong đồ thị Hình
1.12 Điều này có thể đạt được nếu :
- Đường kính ăng ten phát: Dt = 1,5 km
- Đường kính ăng ten thu: Dr = 8,4km
- Bước sóng truyền: λ = 12,24 cm (2,45Ghz)
Hình 1.12: Tương quan giữa hiệu suất truyền và giá trị tham số
Đến nay, nghiên cứu về hệ thống truyền năng lượng không dây (WPT) đã đạt được một số thành tựu, tuy nhiên, vẫn chưa tồn tại một mô hình rõ ràng mô tả chi tiết quá trình truyền tải năng lượng không dây từ vệ tinh địa tĩnh xuống Trái Đất.
Dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH Đào Khắc An và TS Lâm Hồng Thạch, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu chi tiết về các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường truyền dẫn trong hệ thống truyền tải năng lượng không dây, như được trình bày trong bài báo [1].
ĂNG TEN PHÁT
Trong số các loại ăng ten, ăng ten kiểu Parabol và ăng ten mảng mạch dải, cùng với ăng ten loa (Horn), đều đáp ứng tốt các yêu cầu của công nghệ truyền năng lượng không dây (WPT) sử dụng chùm tia vi ba.
Hệ thống ăng ten parabol, đặc biệt là ăng ten loa, nổi bật với hiệu suất cao và độ tăng ích lớn Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là nặng nề, cồng kềnh khi ghép nối thành mảng, gây khó khăn trong việc lắp đặt Bên cạnh đó, chi phí đưa vào không gian vũ trụ cũng khá đắt đỏ.
Ăng ten mảng mạch dải, mặc dù có hiệu suất truyền thấp hơn so với ăng ten Parabol, nhưng lại nổi bật với trọng lượng nhẹ hơn, đặc biệt khi sử dụng nền không khí Đây là một ưu điểm lớn khi ứng dụng trong không gian vũ trụ, cho phép tận dụng tối đa không gian khi ghép nối thành mảng lớn Hơn nữa, mật độ công suất trên thiết diện của tia sóng được phân bố đồng đều hơn, không có vùng tối ở trung tâm như ở ăng ten Parabol.
Để cải thiện hiệu suất của ăng ten mảng mạch dải, người ta ghép bộ khuếch đại công suất hoặc chỉnh lưu trực tiếp đến từng phần tử trong mảng, loại bỏ các đường truyền cổ điển như Feeder và Waveguide Việc chọn chất nền bằng không khí tự nhiên (ε = 1) giúp tối ưu hóa kích thước của một phần tử đơn và tối ưu số lượng phần tử ăng ten trong không gian mảng khi diện tích mảng bị giới hạn.
Giải pháp tối ưu cho hệ ăng ten phát là sử dụng ma trận ăng ten giống nhau được sắp xếp theo thứ tự xác định để phát chùm tia năng lượng viba công suất cao trên vệ tinh Các dạng ma trận ăng ten bao gồm ma trận ăng ten dẫn sóng sẻ rãnh, ma trận ăng ten lưỡng cực với gương phản xạ, ma trận ăng ten vi mạch, ăng ten parabol, và ma trận ăng ten có liên kết pha Việc lựa chọn ma trận ăng ten phù hợp phụ thuộc vào máy phát bức xạ viba, bộ khuếch đại, trọng lượng và khả năng định hướng Đặc biệt, ma trận ăng ten liên kết pha thường được sử dụng trong các thí nghiệm Đối với hệ thống SPS có công suất 1GW, đường kính ma trận ăng ten phát khoảng 1 km ở tần số 2,45 GHz, với độ chính xác điều chỉnh hướng chùm tia viba cao hơn 300m Mật độ dòng công suất viba trung bình trên bề mặt ăng ten phát là khoảng 1000 W, và ma trận ăng ten liên kết pha được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất tập trung chùm sóng viba tại miền trung tâm của rectenna trên mặt đất.
Trong luận văn này, tác giả tập trung vào việc tính toán và mô phỏng ăng ten phát với hiệu suất cao và hệ số định hướng tối ưu Mô hình được xây dựng dưới dạng mảng hai chiều với 16 phần tử, thuộc loại ăng ten phẳng (Planar Antenna Array), nhằm đáp ứng các yêu cầu của hệ thống truyền năng lượng không dây (WPT) trong phòng thí nghiệm.
2.1.1 Cấu trúc và đặc tính cơ bản của một phần tử
2.1.1.1 Khái niệm ăng ten mạch dải (Micro Stripline Ăng tenna - MSA) Ăng ten mạch dải (ăng ten mạch in) thường được gọi là ăng ten mạch vi dải hay còn gọi là Patch Ăng tenna Ăng ten này thường làm việc ở tần số cao (UHF trở lên) nên nó có kích thước rất nhỏ thường được chế tạo ngay trên các bản bo mạch in, về thực chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe
Cấu tạo của ăng ten mạch dải bao gồm các thành phần chính như phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận tiếp điện.
Hình 2.1: Ăng ten mạch dải
Ăng ten mạch in, được hình thành từ phiến kim loại gắn trên lớp đế điện môi, có cấu trúc tương tự như một mảng của mạch in.
Các thông số cấu trúc cơ bản của một phần tử ăng ten mạch dải bao gồm chiều dài L, chiều rộng W, và chiều dày lớp đế điện môi h với hằng số điện môi ε.
Phiến kim loại rất mỏng (nhỏ hơn nhiều bước sóng truyền trong không gian tự do λo), lớp điện môi có độ dày h (0,003λo ≤ h ≤ 0,05λo) và độ dài L trong khoảng λo/3< L < λo/2
Hình 2.2: Ăng ten mạch dải nhìn từ mặt bên
Phiến kim loại rất mỏng (nhỏ hơn nhiều bước sóng truyền trong không gian tự do λo), lớp điện môi có độ dày h (0,003λo ≤ h ≤ 0,05λo) và độ dài L trong khoảng λo/3< L < λo/2
Một số vật liệu điện môi trong công nghệ mạch dải có hằng số điện môi ε r từ 2,2 đến 12 Lớp điện môi dày với hằng số nhỏ hơn 2,2 giúp tăng hiệu quả sử dụng của ăng ten, mang lại dải tần rộng hơn và suy hao do bức xạ đường biên không đáng kể, tuy nhiên kích thước ăng ten sẽ lớn hơn Ngược lại, lớp điện môi mỏng với hằng số lớn phù hợp với các mạch vi sóng, vì yêu cầu giảm thiểu bức xạ tại biên và ảnh hưởng giữa các mối ghép, dẫn đến kích thước ăng ten nhỏ hơn nhưng hiệu suất thấp, suy hao lớn hơn và dải tần hẹp hơn Do đó, ăng ten mạch dải thường tích hợp với mạch vi sóng, yêu cầu sự thoả hiệp giữa các yếu tố này.
Phân tích ăng ten mạch dải theo phương pháp đường truyền dẫn cho thấy rằng, một phần tử ăng ten mạch dải hình chữ nhật có thể được mô tả tương đương với hai khe bức xạ song song Mỗi khe bức xạ có chiều dài W và được đặt cách nhau một khoảng L Trong mô hình này, mỗi khe bức xạ được coi như một dipole từ, giúp hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của ăng ten.
Hình 2.3: Khe bức xạ Ăng ten mạch dải
Mỗi phần tử ăng ten mạch dải có thể hoạt động độc lập hoặc kết hợp thành hệ ăng ten Phần tử bức xạ nằm trên tấm kim loại, cho phép dễ dàng tích hợp với các mạch tích cực như mạch khuyếch đại và đổi tần, cũng như các mạch xử lý tín hiệu phía sau màn chắn, tạo ra hệ ăng ten tích cực hoặc ăng ten có xử lý tín hiệu.
Phần tử ăng ten mạch dải có thể được tiếp điện thông qua đường truyền mạch dải, được chế tạo bằng công nghệ mạch in kết hợp với phiến kim loại, hoặc sử dụng cáp đồng trục với đầu thăm nối vào phiến kim loại, trong khi vỏ cáp kết nối với màn chắn.
Hình 2.4: Tiếp điện cho ăng ten mạch dải
Ngày nay, ăng ten mạch dải đã trở thành một phần quan trọng trong nhiều lĩnh vực như vũ trụ, hàng không, và thông tin vệ tinh Loại ăng ten này nổi bật với kích thước nhỏ gọn, tính linh hoạt trong thiết kế và chi phí thấp nhờ vào công nghệ mạch in Với cấu tạo đa dạng, ăng ten mạch dải có thể điều chỉnh tần số cộng hưởng, độ phân cực, kiểu bức xạ và trở kháng làm việc, đáp ứng nhu cầu sử dụng trong các thiết bị thông tin và truyền thông hiện đại.
2.1.1.2 Bài toán thiết kế một phần tử của mảng ăng ten mạch dải cho hệ thống phát WPT: a) Giải thuật thiết kế ăng ten
THIẾT KẾ MẢNG HAI CHIỀU (ĂNG TEN) MẠCH DẢI 16 PHẦN TỬ
LẮP RÁP THỬ NGHIỆM PHẦN THIẾT BỊ PHÁT VI BA CHO CÔNG SUẤT 20 W VỚI MẢNG ĂNG TEN PHÁT 16
3.1.1 Nguyên lý cấu tạo máy phát công suất chùm tia vi ba
Máy phát sóng vi ba là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ nguồn bên ngoài thành sóng tần số 2,45GHz Trong lĩnh vực truyền dẫn năng lượng không dây, máy phát chủ yếu có hai loại: loại sử dụng bộ khuếch đại công suất bằng đèn chân không như Magnetron, Klystron và TWT, thường mang lại công suất lớn; và loại sử dụng công nghệ bán dẫn, có công suất thấp hơn nhưng với thiết kế gọn nhẹ, dễ chế tạo và độ tin cậy cao hơn.
Máy phát gồm những phần chính như sau :
Khối tạo dao động chủ sóng (Oscillator) sản xuất tín hiệu 2,45GHz, tần số làm việc của hệ thống, giúp ổn định biên độ và tần số Tuy nhiên, đối với máy phát sử dụng đèn Magnetron, không cần phần này vì đèn Magnetron tự động dao động để tạo ra sóng vi ba công suất.
Khối tiền khuếch đại công suất (Pre Amplifier - Exciter Drive) có nhiệm vụ chính là khuếch đại tín hiệu từ dao động chủ sóng, giúp kích thích phần khuếch đại công suất phát Hệ số khuếch đại của khối này thường đạt khoảng 25 - 30dB.
Khối khuếch đại công suất (Power Amplifier) chuyển đổi nguồn năng lượng DC thành tín hiệu RF công suất lớn với tần số 2,45GHz, cung cấp cho ăng ten bức xạ qua Feeder Khuếch đại công suất có thể sử dụng linh kiện thể khí hoặc thể rắn.
