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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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:
- Máy phát công suất vi ba tại tần số 2,45 GHz (chế tạo tại Viện Khoa học vật liệu) có thể phát công suất lên đến 20W.
- Máy đo công suất CU-1678/URM-167, dải tần số hoạt động 1,8-2,5 GHz của Hãng Bird (Mỹ).
- Ăng ten phát là ăng ten panel (dải tần 2,4 – 2,5 GH , độ tăng ích 21 dBi).
Hình 4. 17: ơ đồ đo hiệu suất ra c a ma trận rectenna
Khoảng cách truyền d giữa ăng ten phát và ma trận rectenna thỏa mãn sóng truyền trong vùng Fresnel nên d phải thỏa mãn biểu thức
2
2D
d
.
Ăng ten panel có D 30 cm nên khoảng cách d cỡ khoảng 1,5m. Khảo sát điện áp ra của ma trận rectenna 32 phần tử theo công suất đầuvào từ 0,5 – 3,5 W và điện trở tải từ 20 – 28 Ω, chúng tôi thu được bảng kết quả như sau:
75
Bảng 4. 4: Kết quả đo ông suất đ u theo ông suất đ u vào và điện trở tải
Rload Pin Vout (V) Hiệu suất
(%) Rload Pin Vout (V) Hiệu suất (%) 20 0,5 1,01489 10,3 22 0,5 1,20042 13,1 1,5 2,10713 14,8 1,5 2,4775 18,6 2,5 3,32415 22,1 2,5 3,08464 17,3 3,5 4,04722 23,4 3,5 3,499 15,9 24 0,5 0,94868 7,5 26 0,5 1,12294 9,7 1,5 1,78997 8,9 1,5 2,46658 15,6 2,5 2,74955 12,6 2,5 3,76431 21,8 3,5 3,66606 16 3,5 4,96598 27,1 28 0,5 1,14717 9,4 30 0,5 1,12916 8,5 1,5 2,39875 13,7 1,5 2,38118 12,6 2,5 3,22955 14,9 2,5 3,68443 18,1 3,5 4,60087 21,6 3,5 4,61682 20,3
76
Hình 4. 18: Kết quả đo điện áp đ u ra c a ma trận rectenna 32 ph n t theo ông suất đ u vào và điện trở tải
Hình 4. 19: Kết quả đo tổng ông suất đ u ra c a ma trận rectenna 32 ph n t theo ông suất đ u vào và điện trở tải
77
Hình 4. 20: Kết quả đo tổng hiệu suất c a ma trận rectenna 32 ph n t theo ông suất đ u vào và điện trở tải
Theo kết quả thu được từ Bảng 4. 4 và hình Hình 4. 20, ta thấy rằng hiệu suất thu được lớn nhất 27,1% khi phát công suất đầu vào 3,5 W với điện trở tải tại 26 Ω. Đối với điện trở tải 26Ω thì hiệu suất gần như tăng tuyến tính. Hơn nữa, ta thấy với điện trở tải biến đổi từ 20 - 30Ω thì nếu công suất đưa vào càng lớn thì hiệu suất càng tăng. Tuy nhiên, trong khuôn khổ luận văn này, tôi chỉ khảo sát công suất vào lớn nhất 3,5 W để đảm bảo các yếu tố an toàn bức xạ vi ba và để bảo vệ các linh kiện thiết bị không bị hỏng hoặc cháy nổ.
78
4.5. Kết luận
Chương 4 đã trình bày kết quả chế tạo thử nghiệm và đo các thông số kỹ thuật của rectenna đơn 1 phần tử, 4 phần tử và đặc biệt là 32 phần tử ăng ten và mạch chỉnh lưu. Các kết quả đo thông số ăng ten đáp ứng tốt các thông số đặt tra và phù hợp với kết quả mô phỏng đã được trình bày ở chương 3.
Các mạch chỉnh lưu đơn cũng đã được chế tạo và đo đạc tốt với hiệu suất lớn nhất thu được là 59,6% tại công suất đầu vào 150mW, điện trở tải 900 Ω. Ngoài ra, hiệu suất thu được lớn hơn 50% với các điều kiện công suất đầu vào nằm trong khoảng 150 – 550 mW và điện trở tải nằm trong khoảng 650 – 900 Ω.
Đối với ma trận rectenna 32 phần tử thì thu được hiệu suất lớn nhất 27,1% khi công suất đầu vào 3,5 W và điện trở tải tại 26 Ω với khoảng cách truyền là 1,5m. Kết quả này tuy chưa cao nhưng cũng chấp nhận được.
79
KẾT LUẬN, DANH MỤC B I BÁO KHOA HỌC V ƯƠNG LAI P Á IỂN (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kết luận chung
Luận văn này nghiên cứu hệ truyền công suất không dây để minh chứng khả năng hiệu quả của hệ truyền công suất không dây sử dụng phương pháp chùm tia. Nghiên cứu tính khả thi về mặt thương mại thực tế của hệ truyền công suất không dây dưới mặt đất thông qua việc tính toán các thông số quan trọng của hệ truyền công suất không dây. Luận văn cũng đã đưa ra sự phụ thuộc rất lớn của hiệu suất của hệ truyền công suất không dây hiệu suất của bộ thu và chỉnh lưu (rectenna) công suất vi ba thành công suất điện một chiều.
Ngoài ra, luận văn đã trình bày đầy đủ phương pháp nghiên cứu, phân tích, mô phỏng, thiết kế, chế tạo thử nghiệm và đo đạc các thông số kỹ thuật đối với ma trận rectenna 32 phần tử bao gồm 32 ăng ten và 32 mạch chỉnh lưu. Kết quả đo hiệu suất của cả hệ truyền công suất giữa hai điểm cách nhau 1,5m là 27,1%. Các kết quả thực nghiệm và đo đạc thực tế đã chứng minh sự khả dụng của phương pháp truyền công suất không dây sử dụng phương pháp chùm tia dưới giữa hai điểm trên mặt đất.
Kết quả hiệu suất chuyển đổi DC của rectenna đơn đo trực tiếp qua mạch chỉnh lưu trong công trình [17], [26] được 40,1% nhỏ hơn nhiều so với hiệu suất chuyển đổi DC (59,6%) của rectenna đơn đo trực tiếp thu được trong luận văn này. Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm đo tổng hiệu suất thu phát của hệ truyền công suất với khoảng cách xa (1,5m) giữa hai điểm trên mặt đất trong luận văn này còn thấp so với hiệu suất ( cỡ 54%) cần phải đạt được đối với hệ truyền công suất không dây.
Mặc dù kết hiệu suất đo được thực tế của hệ truyền công suất không dây còn chưa cao nhưng các kết quả này tạo tiền đề để phát triển hệ truyền công suất không dây trong các giai đoạn tiếp theo. Trong thời gian tới, tác giả cố gắng tối ưu hóa hệ thống đặc biệt là phần rectenna nhằm nâng cao hiệu suất của cả hệ.
80
Danh mục i áo khoa học
1. Dong Chung Nguyen, Truong Hoa Xuan, Thach Hong Lam, An Khac Dao. (2013). " Research and Development of 1D Model for the Wireless Power Transmission Problem using Microwave Beam from GEO to the Earth." The 3rd academic conference on natural science, November 11 -15, 2013 Phnom Penh, Cambodia.
2. An Khac Dao, Dong Chung Nguyen, Phong Viet Tran. (2014). "The Wireless Power Transmission Environment from GEO to the Earth and Numerical Estimation of Relative Permittivity vs. the Altitude in the Neutral and Ionized Layers of the Earth Atmosphere." The 2014 international Conference on Advanced Technologies for Communications Hanoi, Vietnam, October 15-17, 2014.
3. Dong Chung Nguyen, Nam Huy Hoang, Thach Hong Lam and An Khac Dao. (2014) “Researching, simulating and experimentally fabricating an antenna array to apply in the wireless power transmission”. Space technological and application Workshop, Vietnam.
4. Thach Hong Lam, Dong Chung Nguyen and An Khac Dao. (2014). " Researching and analysing some primary differences between the wireless power transmission and the wireless information transmisson." Space technological and application Workshop, Vietnam December 19, 2014.
5. Dong Chung Nguyen, Nam Huy Hoang, Thach Hong Lam, An Khac Dao. (2015). " Simulation, design and fabrication of 4-element and 32-element rectenna array applying in the wireless power transmission." The 2015 international Conference on Advanced Technologies for Communications TPHCM, Vietnam, October 14-16, 2015.
81
6. Khac An DAO, Dong Chung NGUYEN. (2015). " Some Theoretical Issues of MPT and Development of 1D Model for Microwave Power Transmission Problem in the Mixed Layers Environment from GEO to the Earth." International Journal of Modern Communication Technologies & Research (IJMCTR) ISSN: 2321-0850, Volume-3, Issue-10, October 2015.
ương lai phát triển của hệ truyền công suất không dây
Dựa vào các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, có thể nói rằng tương lai của hệ truyền công suất không dây có triển vọng phát triển tốt. Khi các linh kiện không dây ngày càng trở nên nhỏ hơn, tiêu thu điện năng ít hơn thì các ứng dụng truyền công suất không dây đối với các linh kiện đó s ngày càng phát triển.
Lĩnh vực truyền công suất không dây sử dụng công nghệ chùm tia công suất cao có tính khả thi cao được hy vọng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học công nghệ và đời sống trong tương lai.
82
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Anh Phan. ( 2007). Antenna therory and technique. Hanoi, Vietnam, Science and Technique Publisher.
2. Araiza., J. (2000). "Wireless Transmission of Power for Sensors in Context Aware Spaces." Massachusetts Institute of Technology, USA.
3. Brown, W. C. (1969). "Progress in the design of rectennas." Journal of Microwave Power vol.4: 168-175.
4. Dickinson, R. M. (1976). "Performance of a high-power, 2.388 GHz receiving array in wireless power transmission over 1.54 km." IEEE A4TT-S International Microwave Symposium: 139-141.
5. Dickinson, R. M. (1996). "Issues in Microwave Power Systems Engineering." IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine: 463-467.
6. Dickinson, R. M. (2003). "Wireless Power Transmission Technology State of the Art the First Bill Brown Lecture." Science Direct: 561-570.
7. Dickinson, R. M., Brown, W. C. (1975). "Radiated microwave power transmission system efficiency measurements." Tech-Memo 33-727, Jet Propulsion Lab., Cal. Inst. Technology: 197.
8. Eriksson, H. W., R. W. (2000). "A temperature compensated linear diode detector.Design Tip. Agilent Technologies. ." from http://electronix.ru/forum/index.php?act=Attach&type=post&id=13726.
9. He, Q. a. C. L. (Apr. 2009). "An enhanced microwave rectifying circuit using HSMS-282." Microwave and Optical Technology Letters Vol.51(No.4): 1151–
1153.
10. McSpadden, J. O., L. Fan, and K. Chang (Dec.1998). "Design and experiments of a high-conversion-eficiency 5.8-GHz rectenna." IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques Vol.46(No.12): 2053-2060. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
83
11. Oltman, G. (Mar. 1966). "The compensated balun." IEEE Trans. Microwave Theory Tech. Vol. 14: 1628-1631.
12. Pozar, D. M. ( 1990). Microwave Engineering, Addison-Wesley Publishing Company.
13. Rees, D. E. a. D. (May 1987). "A broadband printed di pole with integrated balun." Microwave Journal: 339-344.