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.
15
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
16
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 truyền công suất không dây
a. Ăng ten dipole
Ăng ten dipole là loại đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất.
Hình 2. 2: Cấu t ú a ph n t dipole
Nó bao gồm hai phần tử dẫn điện giống hệt nhau như dây hoặc thanh kim loại, được đặt thẳng hàng và đối xứng nhau trong không gian, mỗi phần tử dài l (trong đó l là chiều dài của ăng ten) ở giữa được nối với nguồn dao động cao tần. Ăng ten dipole
17
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.
18
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
19 3 0, 62 D R (2.1)
ở đây, R khoảng cách tính từ bề mặt ăng ten, D là kích thước lớn nhất của ăng ten, là bước sóng trong không gian tự do.
Vùng bức xạ (Fresnel) là vùng giữa miền trường gần và miền trường xa. Những cảm ứng của bức xạ yếu hơn, trường phân bố theo góc là một hàm của khoảng cách tính từ ăng ten. Đường biên ngoài cùng cho miền này là:
2
2D
R
(2.2)
Miền trường xa (Far field) là vùng xa ăng ten nhất. Trong vùng này dạng bức xạ của ăng ten được xác định và không phụ thuộc vào khoảng cách tính từ ăng ten. Đường biên trong cho vùng này là biên ngoài của vùng bức xạR 2D2
, và biên ngoài là vô cùng.
2.1.3.3. Búp sóng ( obe)
Búp sóng là độ rộng của tín hiệu cao tần mà ăng ten phát ra. Búp sóng của trường bức xạ thường được phân loại như sau: búp sóng chính (mainlobe), búp sóng phụ (sidelobe), búp sóng phía sau (backlobe). Búp sóng được biểu diễn ở Hình 2. 5.
20
- 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:
21
2
rad
U r W (2.3)
Trong đó: : mật độ công suất bức xạ r là bán kính khối cầu.
2.1.3.6. Độ định h ớng (Directivity)
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).
(2.4) (2.5) Trong đó: D là độ định hướng. = là độ định hướng cực đại. U là cường độ bức xạ(W/sr). là cường độ bức xạ cực đại (W/sr). là tổng công suất bức xạ(W). 2.1.3.7. Độ lợi (Gain)
Độ lợi của ăng ten là tỷ số giữa cường độ bức xạ U theo một hướng cho trước và cường độ bức xạ thu được nếu công suất đưa vào ăng ten được bức xạ đẳng hướng (isotropic).
(2.6)
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
22
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:
(2.7)
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:
(2.8)
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.
23
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
24
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:
(2.10)
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:
| | (2.11)
2.1.3.10. Ph ơng t ình Friis
Theo định luật bảo toàn năng lượng, mật độ công suất Savg được bức xạ bằng một ăng ten đẳng hướng (D=0 dB) ở khoảng cách R được tính như sau:
2 4 t avg P S R (W/m2) (2.12)
trong đó Pt là công suất được bức xạ bởi ăng ten. Kết quả này bị giảm so với thực tế là chúng ta có thể phải bù lại tổng năng lượng được bức xạ bằng cách tích phân trên mặt cầu theo bán kính R xung quanh ăng ten bởi vì công suất được phân bố đẳng hướng, diện tích của mặt cầu là4R2. Nếu ăng ten phát có độ định hướng cao hơn 0 dB, chúng ta có thể tìm được mật độ công suất bức xạ bằng bội số của độ định hướng bởi vì độ
25
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 R (W/m2) (2.13) 2.1.3.11. Diện t h kh u độ hiệu dụng
Đối với ăng ten thu, việc xác định công suất thu được đối với một trường sóng phẳng đến nào đó là điều hết sức quan trọng. Chắc chắn rằng công suất thu s tỷ lệ với mật độ công suất hoặc v c tơ Poynting hoặc sóng tới. Bởi vì v c tơ Poynting có thứ nguyên là W/m2 và công suất thu được Pr có thứ nguyên là W, hằng số tỷ lệ có đơn vị là diện tích m2, chính vì vậy chúng ta có thể viết:
r e avg
P A S (2.14)
ở đó, Ae được xác định là khẩu độ hiệu dụng của ăng ten thu. Khẩu độ hiệu dụng có thứ nguyên là m2 và có thể được hiểu là “diện tích bẫy” của ăng ten thu, phần chắn mật độ công suất tới được bức xạ đến ăng ten thu. Pr trong biểu thức (2.14) trên là công suất tại đầu cuối của ăng ten thu khi đã phát đến tải đã phối hợp trở kháng [2]. Khẩu độ hiệu dụng cực đại của ăng ten được thể hiện liên quan đến độ định hướng của ăng ten