Có rất nhiều các mạch chỉnh lưu vi ba trước đây đã được thiết kế ở công suất thấp cỡ khoảng nhỏ hơn 100 mW; chẳng hạn như mạch chỉnh lưu tại công suất đầu vào 45 mW với hiệu suất chuyển đổi lớn nhất là 70.69% [23]. Các ma trận rectenna được thiết kế để chỉnh lưu nhiều hơn công suất vi ba thành công suất DC trong hệ truyền công suất không dây. Một ví dụ về ma trận rectenna bao gồm 16 phần tử rectenna nhận được hiệu suất chỉnh lưu 74% với công suất đầu vào cỡ khoảng 2 W [14]. Một mạch chỉnh lưu đơn tại mức công suất cỡ vài W cũng đã được nghiên cứu tốt với công suất đầu vào 2 W và hiệu suất chỉnh lưu dao động khoảng 70% [27].
Nguồn vi ba cung cấp công suất đầu vào cho mạch chỉnh lưu cao thì dẫn đến hoặc là công suất đầu ra cao hơn hoặc là khoảng cách truyền được xa hơn.
Trong luận văn này, tôi nghiên cứu, mô phỏng mạch chỉnh lưu chỉ sử dụng một đi ốt và một bộ lọc thông thấp ở đằng sau đi ốt nhằm phản xạ các sóng vi ba quay trở lại đi ốt và tiếp tục được chỉnh lưu.
Sơ đồ của mạch chỉnh lưu mà chúng tôi thiết kế đối với sóng vi ba liên tục được mô tả trên Hình 3. 29 bên dưới. Đây là mạch chỉnh lưu điển hình đối với đi ốt mắc nối tiếp. Tụ điện nối tiếp C1 trong Hình 3. 29 được sử dụng để chặn dòng DC từ nguồn công suất vi ba đi qua đi ốt.
56
Hình 3. 29: ơ đồ mạch ch nh u
Tụ điện C2 mắc song song là mạch lọc thông thấp cho tín hiệu DC đi qua tải và phản xạ sóng vi ba quay trở lại phần đi ốt chỉnh lưu. Tần số họa âm được tạo ra trong quá trình chỉnh lưu bị giới hạn giữa MTAPER_1 và C2. Vì vậy, tần số họa âm s được tiếp tục chỉnh lưu bởi đi ốt D1, nâng cao hiệu suất chuyển đổi công suất vi ba sang công suất DC cao hơn. Taper đường vi dải (MTAPER_1) và hai đường vi dải (MLIN_1 và MLIN_2) lần lượt được sử dụng trước và sau đi ốt nối tiếp D1 để phối hợp trở kháng giữa nguồn và tải. Mạch chỉnh lưu này được mô phỏng tại tần số hoạt động 2,45 GHz và được tối ưu hóa bằng phần mềm mô phỏng ADS (Advanced Design System).
57
Đi ốt Schottky HSMS_2820 của hãng Avago được sử dụng để chỉnh lưu công suất vi ba thành công suất 1 chiều DC. Điện áp mở phân cực thuận Vbi 0,65 V, điện áp đánh thủng ngược VB =15 V. Mạch chỉnh lưu được thiết kế trên tấm phíp cao tần FR4 với hằng số điện môi r 4,3 và độ dày 1,6 mm. C1, C2, C3 đều được sử dụng là 120 pF.
Hình 3. 31: ối u hó mạ h h nh u b ng ph n mềm
58
Tối ưu hóa mạch chỉnh lưu bằng công cụ “Tune Parameters” trên phần mềm ADS, ta được bảng kết quả các thông số kích thước của các đường vi dải MTAPER_1, các đường MLIN_1 và MLIN_2 được đưa ra trong Bảng 3. 4.
Bảng 3. 4: Cá thông số k h th ớ á đ ờng vi dải
MTAPER_1 MLIN_1 MLIN_2
Chiều rộng bên trái W1(mm) Chiều rộng bên phải W2(mm) Chiều dài L(mm) Chiều rộng W(mm) Chiều dài L(mm) Chiều rộng W(mm) Chiều dài L(mm) 1,1592 0,6255 2,4075 1,44075 9,444708 0,37313 7,9487
Thay đổi điện trở tải dao động từ 200 đến 1000 với các bước tăng là 50 . Với mỗi giá trị của đện trở tại, khảo sát sự thay đổi của Vout theo công suất vi ba đầu vào từ 50 mW đến 1000 mW với các bước tăng 50 mW. Các kết quả mô phỏng thu được trên phần mềm mô phỏng ADS 2011.
59
Hình 3. 34: Đồ thị kết quả mô ph ng ông suất đ u ra theo Pin và Rload
60
Bảng 3. 5: ết uả mô ph ng á thông số điện áp và ông suất đ u ra, hiệu suất đ nh mạ h h nh u theo điện trở tải và ông suất đ u vào
Rload (Ohm) Pin (mW) Vout (V) Pout (mW) Hiệu suất (%)
900 100 8,69 83,85 83,85 800 100 8,31 86,26 86,26 750 150 9,75 126,78 84,52 700 150 9,46 127,85 85,23 650 200 10,47 168,68 84,34 600 250 11,16 207,50 83,00 550 350 12,29 274,67 78,48 500 400 12,41 307,97 76,99 450 450 12,35 338,83 75,30 400 550 12,69 402,27 73,14 350 650 12,64 456,27 70,20 300 800 12,62 530,71 66,34 250 1000 12,37 612,46 61,25 200 1000 10,44 544,86 54,49
Theo Hình 3. 35 và Bảng 3. 5 với công suất đầu vào từ 50-1000 mW và điện trở tải từ 200 – 1000 Ω , ta thấy rằng khi điện trở nhỏ và công suất lớn thì hiệu suất đạt cao nhất. Trong đó, tại các thông số công suất đầu vào 100 mW và điện trở tải 800 Ω thì hiệu suất đạt đỉnh lớn nhất 86,26%. Điện trở tải càng nhỏ thì hiệu suất đỉnh càng nhỏ. Cụ thể tại điện trở tải 200Ω, công suất đầu vào 1000 mW thì mạch chỉnh lưu đạt hiệu suất đỉnh là 54,49%. Tuy nhiên, ta cũng thấy rằng khi điện trở tải nhỏ mà công suất đầu
61
vào thay đổi thì hiệu suất thay đổi không đáng kể. Ngược lại, điện trở tải lớn mà công suất đầu vào thay đổi thì hiệu suất thay đổi rất lớn. Điều này có thể là do đi ốt chỉ chịu được một công suất giới hạn nào đó tùy theo điện trở tải. Như vậy, vấn đề phối hợp giữa tải và đi ốt tốt s nâng cao được hiệu suất mạch chỉnh lưu. Tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể của mạch chỉnh lưu mà ta sử dụng điện trở tải và điện áp đầu vào phù hợp mà hiệu suất vẫn đảm bảo.Chẳng hạn, ta muốn sử dụng mạch chỉnh lưu chịu công suất cao thì ta có thể dùng điện trở tải 250 Ω, công suất đầu vào 1W với hiệu suất chuyển đổi 61,25%.
3.5. Kết luận
Chương 3 đã trình bày các bước tiến hành thiết kế, mô phỏng ma trận ăng ten lưỡng cực vi dải sử dụng làm ăng ten thu rectenna bằng phần mềm mô phỏng CST 2013. Các kết quả mô phỏng thu được đáp ứng tốt các yêu cầu đã đề ra đối ăng ten sử dụng trong hệ truyền công suất không dây.
Tiếp theo, chương 3 cũng trình bày các mô phỏng, tối ưu hóa các thông số của mạch chỉnh lưu để thu được hiệu suất chuyển công suất vi ba suất dòng DC lớn nhất bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng ADS 2011. Với các kết quả mô phỏng thu được, tác giả đã đánh giá sự ảnh hưởng của công suất đầu vào và điện trở tải đến các thông số đầu ra của mạch chỉnh lưu như điện áp, công suất và hiệu suất.
Sử dụng những thông số đã được thiết lập cho ăng ten và mạch chỉnh lưu để tiến hành chế tạo thử nghiệm ma trận rectenna đơn, 4 phần tử và 32 phần tử ứng dụng trong hệ truyền công suất không dây. Chương 4 s trình bày các kết quả thực nghiệm và đưa ra một số thảo luận.
62
C ƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHI M 4.1. Chế tạo ăng ten lưỡng cực vi dải đơn
Sau khi mô phỏng, tối ưu các thông số của ăng ten, chúng tôi tiến hành chế tạo thử nghiệm ăng ten lưỡng cực vi dải trên tấm phíp cao tần FR4 (r 4,3). Cấu trúc ăng ten lưỡng cực vi dải tích hợp bộ cân bằng hình chữ J với mặt ăng ten lưỡng cực vi dải (mặt trước) và bộ cân bằng hình chữ J (mặt sau) sử dụng làm ăng ten thu trong rectenna đã được chế tạo thử nghiệm và được chỉ ra trên Hình 4. 1 bên dưới.
Hình 4. 1: Cấu t ú mặt t ớc (phải) và mặt sau c ăng ten (t ái) hoạt động tại t n số t ung t m 2 45 hz
Chúng tôi tiến hành đo một số thông số chính của ăng ten rectenna hoạt động tại tần số trung tâm 2,45 Gh tại Trung tâm 80, Cục tác chiến điện tử:
Các số thiết bị sử dụng trong quá trình đo ăng ten: - Máy phát sóng chuẩn SMR-20
- Ăng ten phát là ăng ten horn HL040 - Bộ hiệu chuẩn model 3653 kiểu N
- Máy phân tích vecto mạng VNA 37247D - Máy phân tích phổ E-4407B
63
4.1.1. Kết quả đo S11, VSWR, trở kháng đầu ào ăng t n
Các ph p đo độ suy hao do phản xạ S11, hệ số tỷ lệ sóng đứng điện áp VSWR, trở kháng đầu vào của ăng ten:
Sơ đồ đo các thông số độ suy hao do phản xạ S11, hệ số tỷ lệ sóng đứng điện áp VSWR, trở kháng đầu vào của ăng ten được mô tả trên Hình 4. 2. Ăng ten được nối trực tiếp đến máy phân tích mạng (Network Analy er VNA 37247D) thông qua cáp đồng trục.
Hình 4. 2: ơ đồ đo hệ số phản xạ S11, VSWR, trở kháng đ u vào c ăng ten
Hình 4. 3: Kết quả đo độ suy hao do phản xạ 11 và hệ số tỷ lệ sóng đứng điện áp V WR
64
Hình 4. 4:Kết quả đo t ở kháng trở đ u vào ăng ten
Trở kháng đầu vào của ăng ten là: Zin 45,983+j1,354 Ω. Trở kháng đầu vào thực tế gần bằng 50 Ω nên ta thấy ăng ten phối hợp trở kháng tốt, độ tổn hao do phản xạ giảm.
4.1.2. Đo đ tăng ích Gain c a ăng t n
Hình 4. 5: ơ đồ đo độ tăng h a ăng ten
Tiến hành đo (ph p đo được thực hiện tại Trung tâm 80, Cục Tác chiến điện tử): - Đo công suất tín hiệu thu được bằng anten mẫu 3115;
65
- Quay anten thu và anten phát theo , và phân cực để nhận được mức tín hiệu lớn nhất. Đọc công suất P thu được từ anten 3115 và công suất P' thu được (dBm) từ anten cần kiểm tra;
- Xác định hệ số khuếch đại anten theo công thức: G = G3115 + ( '
P -P), đơn vị dBi với G3115 là hệ số khuếch đại của anten mẫu 3115.
Thực hiện ph p đo trên đối với ăng ten lưỡng cực vi dải đã chế tạo ta được kết quả:
'
P = -23,4 dBm, P= - 22dBm.
Biết G3115 = 8,5 dBi, ta tính được độ tăng ích của ăng ten lưỡng cực vi dải là G = 8,5 + (-23,4 + 22) = 7,2 dBi
Tổng hợp các kết quả, ta được số liệu như trong Bảng 4. 1, Hình 4. 6 và Hình 4. 7. Theo số liệu từ Bảng 4. 1, ta thấy rằng các thông số chế tạo thực nghiệm khá tốt so với các thông số của ăng ten trong quá trình mô phỏng. Ăng ten lưỡng cực vi dải với các thông số thực nghiệm như trên hoàn toàn đáp ứng tốt những yêu cầu kỹ thuật của ăng ten và có thể ứng dụng làm ăng ten thu của rectenna trong hệ truyền công suất không dây với tần số hoạt động trung tâm 2,45 Gh .
Bảng 4. 1: Bảng so sánh kết quả mô ph ng và thực nghiệm á thông số c ăng ten
Kết quả mô phỏng Kết quả thực nghiệm
S11 VSWR Độ tăng ích
(Gain) S11 VSWR
Độ tăng ích (Gain) -56,18 dB 1,003 8,279 dBi -27,1 dB 1,092 7,2 dBi
66
Hình 4. 6: Kết quả so sánh giữ mô ph ng và thực nghiệm độ suy hao do phản xạ S11
67
4.2. Chế tạo v đo mạch chỉnh lưu
Mạch chỉnh lưu công suất vi ba tần số 2,45 Gh được thiết kế sử dụng đi ốt Schottky HSMS-2820 và được khắc trên tấm phíp cao tần FR4 dày 1,6 mm (εr=4,3) [26]. Mạch chỉnh lưu được cấp công suất đầu vào từ ăng ten thu lưỡng cực vi dải thông qua đầu nối SMA.
(a) (b)
Hình 4. 8: ( ) yout và (b) hình ảnh mạch ch nh u hế tạo thực tế
Tiến hành đo thông số điện áp đầu ra từ mạch chỉnh lưu:
- Sử dụng máy phát công suất vi ba được chế tạo tại Viện Khoa học vật liệu (là sản phẩm của của đề tài mang mã số VT/CB-03/13-15) với công suất phát lên tới 20 W.
- Sử dụng máy đo công suất CU-1678/URM-167, dải tần số hoạt động 1,8-2,5 GHz của Hãng Bird (Mỹ).
Khảo sát sự thay đổi điện áp và công suất đầu ra theo công suất đầu vào từ 50 – 1000 mW và điện trở tải từ 200 đến 900 Ohm.
68
Hình 4. 9: Những hình ảnh đo và á máy đo mạch ch nh u
Những hình ảnh sau đây là các kết quả đo điện áp, công suất đầu ra và hiệu suất của mạch chỉnh lưu đã được chế tạo.
69
Hình 4. 11: Kết quả đo ông suất đ u ra theo Pin và Rload
70
Bảng 4. 2: ết uả thực nghiệm á thông số điện áp ông suất và hiệu suất đ nh mạ h h nh u theo điện trở tải và ông suất đ u vào
Rload (Ohm) Pin (mW) Vout (V) Pout (mW) Hiệu suất (%)
900 150 8,97 89,40 59,60 800 200 9,56 114,24 57,12 750 250 10,15 137,36 54,95 700 300 10,97 171,92 57,31 650 200 8,78 118,60 59,30 600 300 10,09 169,65 56,55 550 350 9,94 179,68 51,34 500 350 9,46 179,13 51,18 450 500 10,84 261,12 52,22 400 550 10,64 282,76 51,41 350 600 9,89 279,29 46,55 300 800 10,34 356,25 44,53 250 1000 10,38 431,31 43,13 200 1000 8,38 351,04 35,10
Theo các kết quả đo được từ thực tế đối với mạch chỉnh lưu đã chế tạo, ta thấy kết quả thực tế phù hợp với kết quả mô phỏng nhưng hiệu suất đo được trên thực tế thấp hơn so với các kết quả mô phỏng. Hiệu suất đỉnh mạch chỉnh lưu thực tế cao nhất 59,6% tại công suất đầu vào 150mW, điện trở tải 900 Ω. Theo Bảng 4. 2 và Hình 4. 12, ta thấy hiệu suất đỉnh lớn hơn 50% xuất hiện khi công suất đầu vào nằm trong khoảng 150 – 550 mW và điện trở tải nằm trong khoảng 650 – 900 Ω.
71
4.3. Chế tạo v đo a trận rectenna 4 phần tử
Hình 4. 13: Kết quả chế tạo th nghiệm ma trận rectenna 4 ph n t t ên tấm phản xạ
Sử dụng máy phát sóng chuẩn SMR-20 (Mircowave Signal Generator R&S SMR- 20) dải tần 10 MHz – 20 GHz của Hãng Rohde&Schwar để phát điện áp tại tần số vi ba 2,45 GH qua ăng ten horn mẫu 3115 (dải tần 750 MH đến 18 GHz, độ tăng ích 8,5 dBi) đến rectenna 4 phần tử để khảo sát điện áp ra và hiệu suất của rectenna. Trong trường hợp này, chúng tôi khảo sát điện áp ra của ma trận rectenna 4 phần tử (không tải) theo điện áp đầu vào từ máy phát sóng chuẩn SMR-20.
Kết quả khảo sát điện áp ra được chỉ ra trong bảng sau đây:
Bảng 4. 3: Bảng kết quả đo điện áp a ma trận rectenna 4 ph n t
Khoảng cách
giữa 2 Anten Điện áp phát (mV) Điện áp ra sau chỉnh
lưu (mV) Hiệu suất (%)
5 cm
315 0,8 0,25
707 17 2,4
1257 210 16,7
Với ph p đo này, tôi đã tính được hiệu suất tổng của cả hệ truyền công suất không dây với khoảng cách khá ngắn (5 cm) lớn nhất 16,7% tại điện áp phát 1257 mV. Theo kết quả trong Bảng 4. 3 thì ta thấy khi điện áp đầu vào tăng lên thì hiệu suất chỉnh lưu
72
của ma trận rectenna s tăng lên. Do hạn chế của máy phát là chỉ có thể phát được điện áp thấp nên chúng tôi vẫn chưa khảo sát được ma trận rectenna 4 phần tử với điện áp phát cao hơn.
4.4. Chế tạo v đo a trận rectenna 32 phần tử
Hình 4. 14: Sự sắp xếp ma trận rectenna mắc song song 32 ph n t t ên tấm phản xạ
Ma trận rectenna được sắp xếp theo cấu trúc như đã mô phỏng ở chương 3. Các mạch chỉnh lưu được gh p song song ở mặt sau tấm phản xạ và sử dụng biến trở R1 làm điện trở tải.
73
Hình 4. 16: Một số hình ảnh đo t ong phòng th nghiệm
Transmission antenna
74
Khảo sát điện áp ra sau ma trận chỉnh lưu và tổng hiệu suất của hệ truyền công suất không dây. Các linh kiện, thiết bị được sử dụng trong khi đo là: