Đang tải... (xem toàn văn)
Luận án nghiên cứu việc truyền năng lượng 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. Mời các bạn cùng tham khảo.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐOÀN HỮU CHỨC 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 62520203 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THƠNG Hà Nội – 2016 Cơng trình đƣợc hồn thành tại: Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS TS BẠCH GIA DƢƠNG Phản biện: Phản biện: Phản biện: Luận án đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp vào hồi giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thƣ viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thƣ viện, Đại học Quốc gia Hà Nội 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 TÓM TẮT: Giới thiệu hệ thống truyền lƣợng khơng dây sử dụng sóng siêu cao tần: lịch sử phát triển hệ thống, yêu cầu đặc thù để ứng dụng thành công cho hệ thống vệ tinh khai thác lƣợng mặt trời cũ trụ truyền trái đất Nghiên cứu đề xuất giải pháp xây dựng thành phần phần phát lƣợng siêu cao tần dùng làm phần phát cho hệ thống lƣợng không dây bao gồm: mạch dao động, mạch khuếch đại đệm, mạch khuếch đại công suất giải pháp chia cộng công suất dùng mạch cầu Wilkinson Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế chế tạo Rectenna có hiệu suất cao phục vụ cho phần thu lƣợng siêu cao tần, đề xuất mơ hình kết nối Rectenna thành ma trận thử nghiệm thành công hệ thống truyền lƣợng không dây thực tế mặt đất A MỞ ĐẦU Ngày nay, ngƣời khai thác mạnh mẽ nguồn tài nguyên hóa thạch sẵn có trái đất để phục vụ cho sống sinh hoạt nhƣ lƣợng than đá, dầu mỏ, khí gas, v.v Tuy nhiên nguồn tài nguyên dần cạn kiệt lâu dài đảm bảo vấn đề an ninh lƣợng Con ngƣời hƣớng tới khai thác sử dụng ngày nhiều nguồn lƣợng tái tạo khác nhƣ lƣợng mặt trời, lƣợng gió, lƣợng sinh học, lƣợng sóng biển, v.v Đặc biệt lƣợng mặt trời đƣợc khai thác ngày nhiều Mặc dù việc khai thác chủ yếu thực bề mặt trái đất dẫn đến hiệu chƣa cao, dễ gây ô nhiễm môi trƣờng đặc biệt bị ảnh hƣởng tƣợng ngày đêm Chính vậy, từ năm 1970 ngƣời ta đề xuất việc xây dựng hệ thống vệ tinh thu lƣợng mặt trời vũ trụ truyền trái đất Để thực thành cơng hệ thống cần có giải pháp công nghệ nhiều lĩnh vực nhƣ: - Giải vấn đề công nghệ chế tạo phận thu, biến đổi lƣợng mặt trời thành lƣợng điện chiều thƣờng khối panel pin mặt trời - Giải vấn đề công nghệ chế tạo thành phần siêu cao tần nhằm biến đổi từ lƣợng điện chiều thành lƣợng siêu cao tần dạng chùm tia công suất lớn - Giải vấn đề công nghệ chế tạo thành phần thu lƣợng siêu cao tần mặt đất biến đổi thành lƣợng điện cung cấp cho tải tiêu thụ Từ lý cho thấy việc nghiên cứu đề xuất xây dựng mơ hình truyền lƣợng khơng dây sử dụng sóng siêu cao tần hiệu suất cao cần thiết, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu giải pháp truyền lượng siêu cao tần công suất lớn, hiệu suất cao phục vụ cho khai thác lượng vũ trụ” để thực luận án Phạm vi nghiên cứu luận án là: Nghiên cứu việc truyền lƣợng khơng dây sử dụng sóng siêu cao tần hoạt động băng tần ISM với tần số trung tâm 2,45 GHz với mục đích ứng dụng việc xây dựng hệ thống vệ tinh thu lƣợng mặt trời vũ trụ truyền trái đất Phương pháp nghiên cứu: Phƣơng pháp phân tích, thiết kế, mơ hình hóa mơ phần mềm chun dụng siêu cao tần ADS (Advanced Design System ) hãng Agilent kết hợp với phƣơng pháp thực nghiệm khoa học Những đóng góp luận án - Nghiên cứu, lựa chọn, ứng dụng công nghệ phù hợp thiết kế, mô chế tạo mạch dao động có độ ổn định cao, mạch tổ hợp cơng suất kiểu cầu Wilkinson đƣờng có suy hao nhỏ, mạch khuếch đại đệm mô đun khuếch đại công suất dùng làm phát siêu cao tần công suất lớn dùng linh kiện bán dẫn hoạt động băng tần S phục vụ cho mục đích chuyển đổi lƣợng điện chiều thành lƣợng siêu cao tần công suất lớn phục vụ khai thác lƣợng vũ trụ nhƣ cho ứng dụng truyền thông tin sử dụng sóng siêu cao tần băng tần ISM - Nghiên cứu đề xuất giải pháp phối hợp trở kháng dải rộng, thay đổi nhiều thang trở kháng đặc trƣng việc thiết kế chế tạo mạch khuếch đại công suất dùng cho hệ thống truyền lƣợng khơng dây nhƣ ứng dụng cho hệ thống truyền thông tin hoạt động băng tần S - Nghiên cứu, thiết kế chế tạo Rectenna bao gồm mạch chỉnh lƣu siêu cao tần anten mạch dải thực chuyển đổi lƣợng siêu cao tần thành lƣợng điện chiều với hiệu suất cao Đề xuất giải pháp thiết kế chế tạo mạch chỉnh lƣu siêu cao tần kiểu nhân áp có khả cho điện áp lớn hiệu suất chuyển đổi lƣợng siêu cao tần thành lƣợng điện chiều DC cao đạt 70% Bố cục luận án Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị Mở đầu Chƣơng Tổng quan hệ thống truyền lƣợng siêu cao tần yêu cầu đặc thù sử dụng cho vệ tinh lƣợng mặt trời Chƣơng Nghiên cứu thiết kế, chế tạo khuếch đại công suất phục vụ cho phần phát lƣợng sóng siêu cao tần Chƣơng Nghiên cứu, thiết kế chế tạo Rectenna - Kết luận kiến nghị Danh mục công trình khoa học tác giả liên quan đến luận án Tài liệu tham khảo B NỘI DUNG Chương 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 WPT 1.2 Khái quát hệ thống truyền lượng không dây Truyền lƣợng không dây WPT việc truyền lƣợng lớn dùng sóng điện từ truyền từ nơi đến nơi khác mà không sử dụng dây dẫn Hình 1.2 đƣa mơ hình hệ thống truyền lƣợng không dây sử dụng sóng siêu cao tần Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống truyền lƣợng siêu cao tần 1.3 Hệ thống vệ tinh thu lượng mặt trời SPS Cấu trúc SPS bao gồm ba thành phần chính: phần thu nhận lƣợng mặt trời biến đổi thành lƣợng điện chiều DC; biến đổi lƣợng điện chiều DC thành sóng siêu cao tần hệ thống anten mảng đƣa chùm tia sóng siêu cao tần cơng suất lớn trái đất Mơ hình SPS đƣa hình 1.3 1.4 Hiệu suất Chúng ta chia hiệu suất MPT thành ba loại theo giai đoạn: hiệu suất biến đổi DC-RF bao gồm tổn hao định dạng chùm tia; hiệu suất thu nhận chùm tia tỷ số tất cơng suất xạ công suất nhận đƣợc anten thu hiệu suất biến đổi RF-DC 1.5 Kết luận mục tiêu luận án Trong chƣơng trình bày tổng quan lịch sử phát triển, khái quát hệ thống truyền lƣợng không dây tổng hợp vấn đề cần quan tâm giải ứng dụng hệ thống MPT cho hệ thống vệ tinh thu lƣợng mặt trời SPS truyền trái đất Tác giả có số kết luận nhƣ sau: Hình 1.3 Mơ hình hệ thống vệ tinh SPS - Truyền lƣợng khơng dây sử dụng sóng siêu cao tần MPT hoàn toàn thực tiễn Trên giới có nhiều cơng trình cơng bố MPT với mục đích ứng dụng cho SPS tƣơng lai - Hệ thống MPT nhƣ SPS gần nhƣ chƣa đƣợc đề cập nghiên cứu nƣớc, có số nghiên cứu nhóm nghiên cứu GS Đào Khắc An Viện Khoa Học Vũ Trụ Việt Nam, việc tiếp tục nghiên cứu sâu MPT, SPS để giải số vần đề mấu chốt hệ thống quan trọng có giá trị thực tiễn khoa học - Đối với hệ thống MPT nhƣ SPS vấn đề hiệu suất quan trọng Chúng ta cần quan tâm tới hiệu suất chuyển đổi từ lƣợng mặt trời thành lƣợng điện, hiệu suất chuyển đổi từ lƣợng điện thành lƣợng siêu cao tần không gian, hiệu suất chuyển đổi lƣợng siêu cao tần thành lƣợng điện phía thu (Rectenna) - Tần số nên lựa chọn để thực truyền lƣợng ứng dụng cho MPT SPS tần số 2,45GHz 5,8 GHz dải tần có cửa sổ suy hao thấp thuận lợi trình thử nghiệm khơng chịu kiểm sốt từ quan quản lý tần số Trên cở sở tác giả đề xuất xây dựng hệ thống MPT thực tế mặt đất với tần số truyền sóng 2,45 GHz Mục tiêu thiết kế chế tạo mạch tạo tín hiệu siêu cao tần; mạch khuếch đại đệm; mạch khuếch đại công suất; mạch chia/cộng công suất đồng pha, đồng biên độ sử dụng cho phía phát thiết kế chế tạo anten mạch dải mạch chỉnh lƣu siêu cao tần có hiệu suất cao sử dụng cho phía thu Chương Nghiên cứu, thiết kế chế tạo khuếch đại công suất phục vụ cho phần phát lượng sóng siêu cao tần Các pin mặt trời không gian gắn vệ tinh lƣợng mặt trời SPS làm nhiệm vụ thu nhận lƣợng mặt trời chuyển đổi thành lƣợng điện chiều DC Nguồn điện chiều DC đƣợc sử dụng cho mạch dao động mạch khuếch đại công suất siêu cao tần Các mạch điện có nhiệm vụ chuyển đổi lƣợng điện chiều DC thành lƣợng sóng siêu cao tần Để có cơng suất siêu cao tần đủ lớn phát khơng gian tới phía thu lƣợng sóng siêu cao tần cần thiết kế chế tạo khối khuếch đại công suất lớn 2.1 Cấu trúc chung mạch khuếch đại Cấu trúc chung mạch khuếch đại siêu cao tần sử dụng linh kiện tích cực đƣợc đƣa 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 hình 2.5a Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý (a) mạch in (b) mạch dao động SPF3043 2.2.2 Kết thực nghiệm Bộ tạo dao động phát tần số, ta thu đƣợc hài bậc 2, chứng tỏ mạch đạt yêu cầu đề Tại tần số thiết kế ta nhận đƣợc mức công suất lối 8.16 dBm 2.3 Mạch khuếch đại công suất dùng AH201 2.3.1 Thiết kế mô Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất dùng AH201đƣợc đƣa hình 2.8 Hình 2.7 Kết đo thực nghiệm mạch dao động 2,45 GHz Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại cơng suất AH201 Hình 2.10 hình ảnh mạch in sản phẩm sau chế tạo Hệ số khuếch đại mạch đạt 13 dB nhƣ hình 2.11b Giá trị S21 lớn 12 dB khoảng tần số từ 1,6 GHz đến 2,7 GHz Hình 2.10 2.1 Mạch in sản phẩm hệ số khuếch đại mạch khuếch đại dùng AH201 2.4 Mạch khuếch đại công suất dùng PTFA240451E 2.4.1 Thiết kế mô 2.4.1.1 Đề xuất phương pháp thiết kế Việc thiết kế mạch khuếch đại công suất dùng PTFA240451E bao gồm thiết kế mạch phối hợp trở kháng lối vào lối cho PTFA240451E Tác giả 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 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 trở kháng đặc tính đƣợc chọn có giá trị 25 Theo giá trị trở kháng tải thực để thiết kế mạch phối hợp trở kháng ZL = Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp trở kháng lối mạch khuếch đại Ta có: 2.4.2 Chế tạo kết thực nghiệm 2.4.2.1 Chế tạo mạch khuếch đại Sản phẩm thực tế đƣợc đƣa hình 2.24 Hình 2.24 2.25 Sản phẩm chế tạo hệ số khuếch đại 2.4.2.2 Kết thực nghiệm Hình 2.25 minh họa kết đo tham số S21 Hình 2.25 Giá trị S21 đo đƣợc máy phân tích mạng Theo nhận thấy hệ số khuếch đại đạt giá trị lớn 11dB dải tần 2,4 GHz đến 2,7 GHz Giá trị lớn đạt đƣợc 13,63 dB tần số 2,55 GHz Các giá trị tốt so sánh với 10 giá trị đƣợc cung cấp datasheet tra cứu PTFA240451E với giá trị lớn 14 dB 2.4.2.3 Thực nghiệm kiểm tra phát công suất thực tế khuếch đại Để kiểm tra hoạt động khuếch đại sau thiết kế khuếch đại đệm AH201 khuếch đại cơng suất dùng PTFA240451E ta sử dụng máy phân tích phổ nhƣ hình 2.29 Hình 2.29 Mơ hình kiểm tra công suất phát Kết đo đƣợc với lối vào giá trị lớn máy tạo tín hiệu 14dBm đƣợc cung cấp hình 2.30 Theo giá trị đạt đƣợc 39,7dBm tức khoảng 9,33W Hệ số khuếch đại tổng cộng module khuếch đại công suất (gồm AH201 PTFA240451E) 25,7dB Hình 2.30 Kết đo máy phân tích phổ 11 2.5 Tổ hợp công suất mạch cầu Wilkinson 2.5.1 Nguyên lý chung Mơ hình tổ hợp cơng suất dùng cầu Wilkinson cho hệ thống truyền lƣợng không dây đƣợc minh họa hình 2.31 Hình 2.31 Mơ hình tổ hợp công suất cho hệ thống MPT 2.5.2 Mạch Wilkinson đường Sử dụng giá trị N=4 Z0 = 50 tính tốn với phần mềm ADS2009 đạt đƣợc sơ đồ nguyên lý mạch cầu Wilkinson đƣờng nhƣ hình 2.34 Sơ đồ mạch in sản phẩm hình 2.36 Hình 2.34 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu Wilkinson đƣờng Kết đo hệ số suy hao S21 hệ số phản xạ S11 lần lƣợt đƣợc đƣa hình 73 2.38 Theo S21 đạt giá trị -6,023 dB tần số 2,45GHz Hình 2.36 Sơ đồ mạch in mạch thực tế 12 Hình 2.37 2.38 Tham số S21 S11 2.5.3 Mạch Wilkinson đường Tƣơng tự trƣờng hợp đƣờng, với thơng số tính tốn N=8 trở kháng đặc tính Z0 = 50 ta đạt đƣợc sơ đồ nguyên lý mạch cầu nhƣ hình 2.39 Hình 2.39 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu WPD đƣờng Theo hình 2.40 hệ số suy hao mơ 9,03dB tần số 2,45 GHz gần đạt tới giá trị tính tốn lý thuyết Hệ số truyền nhỏ 64dB tần số 2,45 GHz chứng tỏ mạch phối hợp trở kháng tốt Sơ đồ mạch in thiết kế mạch thực tế đƣợc đƣa hình 2.41 13 Hình 2.41 Sơ đồ mạch in sản phẩm mạch WPD đƣờng Kết đo hệ số suy hao S21 hệ số truyền S11 lần lƣợt cho hình 2.42 2.43 Hình 2.42 Hệ số suy hao S21 Hình 2.43 Hệ số S11 Theo S21 đạt giá trị 9dB dải tần 2,4 GHz – 2,5 GHz Điều có nghĩa gần nhƣ khơng có suy hao thực chia công công suất sử dụng mạch cầu Wilkinson Hơn S11 đạt giá trị nhỏ -12 dB nghĩa việc phối hợp trở kháng tốt 2.5.4 Tổ hợp công suất sử dụng mạch cầu Wilkinson Trên sở thiết kế chế tạo mạch chia/cộng công suất đồng pha, đồng biên độ đƣờng, tác giả đề xuất giải pháp tổ hợp công suất thành với mức công suất lối đạt 158W 355W nhƣ hình 2.44 2.45 Hình 2.44, 2.45 Mơ hình tổ hợp cơng suất WPD đƣờng 14 Nhận xét kết luận chương Tác giả đề xuất: Xây dựng thành phần thực nhiệm vụ chuyển đổi lượng điện chiều thành lượng siêu cao tần công suất lớn bao gồm mạch tạo dao động, khuếch đại đệm khuếch đại công suất sử dụng linh kiện bán dẫn phương pháp tổ hợp công suất kiểu cầu Wilkinson theo công nghệ mạch dải Các kết quan trọng đạt đƣợc nhƣ: Thiết kế chế tạo mạch dao động siêu cao tần có tần số dao động 2,45GHz với mức cơng suất lối lớn đạt 8,16 dBm ổn định Mạch khuếch đại đệm AH201 với hệ số khuếch đại lớn 13 dB hoạt động dải thông lớn từ 1,6 GHz đến 2,7 GHz, mạch có khả ứng dụng cao thực tiễn nhƣ cho hệ thống thông tin di động, hệ thống WIFI, radar vai trò mạch khuếch đại đệm cho tầng công suất hệ thống truyền lƣợng không dây MPT Module khuếch đại công suất dùng PTFA240451E đƣợc thiết kế chế tạo với phƣơng pháp phối hợp trở kháng dải rộng, module có mức cơng suất lớn 45 W, module dùng làm sở cho việc xây dựng mơ hình hệ thống đánh giá hiệu suất truyền lƣợng không dây khoảng cách gần Khi sử dụng mạch cầu Wilkinson để cộng công suất từ module sở 45W đạt đƣợc phát có công suất lớn Chương NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC RECTENNA 3.1 Giới thiệu Sơ đồ khối Rectenna đƣa hình 3.1 Hình 3.1 Sơ đồ khối rectenna 15 3.2 Thiết kế anten thu 3.2.1 Antenna mạch dải đơn Anten mạch dải đơn đƣợc đƣa 3.7 dƣới Hình 3.7 Sơ đồ layout sản phẩm thực tế anten chấn tử Hình 3.8 Hệ số phản xạ đo đƣợc từ máy phân tích mạng Hệ số phản xạ nhỏ -19 dB tần số 2,45 GHz 3.2.2 Antenna mảng 1x4 Mạch thực tế anten 1x4 hình 3.12 Hình 3.12 3.13 Sơ đồ mạch in sản phẩm thực tế anten mảng 1x4 thông số S11 máy phân tích mạng 16 Kết đo tham số S11 đƣợc đƣa hình 3.13 Theo hệ số phản xạ S11 nhỏ -17dB Vì vậy, hệ số sóng đứng