Ứng dụng lớn nhất của MPT là cho SPS trong đó sóng siêu cao tần cơng suất hàng GW được truyền từ vũ trụ về trái đất với khoảng cách truyền là 36,000 km. Trong SPS, chúng ta sẽ sử dụng các bộ phát sóng siêu cao tần từ vũ trụ. Để sử dụng trong không gian các bộ phát phải gọn nhẹ nhằm mục đích giảm giá thành và hiệu suất cao để giảm ảnh hưởng về nhiệt.
Linh kiện bán dẫn ngày càng nhỏ gọn và nhẹ. Các bộ khuếch đại bán dẫn có thể trở thành nhân tố làm giảm giá thành của hệ thống với nhiều mức yêu cầu về công suất. Điều này thể hiện qua việc công suất của hệ thống được tổ hợp qua các mô đun riêng lẻ. Bảng 1.3[1,58] cung cấp các đặc tính của các bộ khuếch đại bán dẫn dùng trong không gian cho một số vệ tinh.
Bảng 1.3. Các đặc tính của bộ khuếch đại bán dẫn dùng trong khơng gian
Vệ tinh ETS-6 TDRSS NSTAR INT-7 JCSAT-3 Hiệu suất 31% 32% 36% 29% 40% Lối ra 14W 24W 40W 30W 34W Trọng lượng 1,2 kg =85g/W 3,4 kg =121g/W 2,5 kg =63g/W 1,7 kg =57g/W 1,9 kg =56g/W Tần số 2,5 GHz 2 GHz 2,5 GHz 4 GHz 4 GHz
Qua tổng hợp trên cho thấy các cơng trình nghiên cứu về bộ phát ứng dụng cho SPS cịn ít, trong khi đó các cơng trình nghiên cứu sử dụng cho hệ thống thông tin đã phát triển nhiều và có nhiều thành cơng. Tuy nhiên, chúng ta khơng thể áp dụng hoàn toàn kết quả này cho hệ thống SPS bởi vì những khác biệt cơ bản sau:
- Với MPT cũng như SPS vấn đề hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng điện một chiều thành sóng siêu cao tần là quan trọng nhất.
- Hệ thống SPS địi hỏi cơng suất phát lớn dẫn đến phải xây dựng các anten mảng pha. Như vậy, chúng ta cũng cần phải thiết kế mạch khuếch đại có cơng suất lớn và thuận lợi khi thực hiện việc tổ hợp công suất.
- Ổn định nhiệt cho hệ thống cũng là một yêu cầu quan trọng được đạt ra khi thiết kế bộ phát cho SPS.
Mặt khác, hầu hết các cơng trình chỉ tập trung vào việc nghiên cứu phần khuếch đại công suất mà chưa đi sâu vào các giải pháp tổ hợp được công suất lớn và các thành phần khác của tuyến phát như: mạch tạo dao động, khuếch đại đệm và mạch tổ hợp công suất.
Trên cơ sở đó, luận án đề xuất xây dựng các thành phần của tuyến phát năng lượng sóng siêu cao tần cho hệ thống truyền năng lượng không dây cụ thể gồm: Thiết kế và chế tạo các mạch dao động, mạch tổ hợp công suất kiểu cầu
Wilkinson có suy hao thấp, mạch khuếch đại đệm và mô đun khuếch đại công suất chuyển đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng siêu cao tần trong băng tần ISM. Trong đó, nghiên cứu đề xuất giải pháp phối hợp trở kháng dải rộng, thay đổi nhiều thang trở kháng đặc trưng trong việc thiết kế chế tạo mạch khuếch đại công suất dùng cho hệ thống truyền năng lượng khơng dây cũng như có thể ứng dụng cho hệ thống truyền thơng tin hoạt động trong băng tần S.
1.5. Tổng hợp các nghiên cứu về Rectenna
Khái niệm và tên Rectenna được hình thành bởi Brown vào đầu thập kỷ 60 thế kỷ trước. Rectenna là một khối bao gồm anten, mạch chỉnh lưu với một bộ lọc giữa điốt chỉnh lưu và anten. Các anten được sử dụng có thể là anten Yagi- Uda, các anten vi dải hoặc đĩa parabol. Anten mảng đipôn đạt hiệu quả nhất. Hiệu suất của một số loại anten mà cơng trình [48] tổng hợp được đưa ra ở bảng 1.4. Các điốt Schottky thường được sử dụng vì có thời gian khơi phục nhanh, điện áp thuận nhỏ và có các đặc tính RF tốt. Điốt chính là phần tử quyết định nhất tới hiệu suất của Rectenna. Hiệu suất của Rectenna với các loại điốt ở các tần số khác nhau được cho ở bảng 1.5[48].
Bảng 1.4. Hiệu suất biến đổi cực đại của Rectenna các loại
Loại Rectenna Tần số hoạt động (GHz) Hiệu suất cực đại Dipole 2,45 85%
Circula Patch 2,45 81% Printed dual rhombic 5,6 78% Square patch 8,51 66%
Bảng 1.5. Hiệu suất của rectenna theo các loại điốt khác nhau
Tần số (GHz) Đi ốt Schottky Hiệu suất đo được(%) Hiệu suất tính tốn (%) 2,45 GaAs – W 92,5 90,5
5,8 Si 82 78,3
8,51 GaAs 62,5 66,2
Hệ thống điểm điểm MPT cần một diện tích rộng với một mảng rectenna lớn vì một phần tử của rectenna chỉ tạo ra vài W. Đặc biệt với vệ tinh năng lượng vũ trụ SPS, chúng ta cần một rectenna cực lớn và một mạng điện đã được nối với mạng điện có sẵn trên mặt đất. Ngược lại cũng có một số ứng dụng MPT với một rectenna cho ứng dụng thu năng lượng siêu cao tần nhỏ như là trong RF-ID. Tiếp theo tác giả tổng hợp một số kết quả nghiên cứu nổi bật về phần tử rectenna cũng như khi nó được xây dựng thành một mảng.
1.5.1. Rectenna
Rectenna có thể nhận và chỉnh lưu sóng siêu cao cơng suất thành điện áp một chiều. Thực chất rectenna là một mạch thụ động với một điốt tách sóng hoạt động khơng cần một nguồn ni nào. Có nhiều nghiên cứu về phần tử rectenna. Các nhóm nghiên cứu nổi tiếng nhất là nhóm của trường đại học Taxes A&M của Mỹ, Kyoto của Nhật Bản. Anten của rectenna có thể là một loại bất kỳ nào đã biết như dipole, Yagi-Uda, anten mạch dải, thậm chí là anten parabol. Rectenna cũng có thể dùng nhiều loại mạch chỉnh lưu khác nhau. Các mạch chỉnh lưu này, đặc biệt là điốt là phần tử quyết định chủ yếu tới hiệu suất biến đổi RF-DC (biến đổi từ sóng RF thành điện một chiều DC). Điốt Schottky đã được sử dụng cho các rectenna trước đây. Các điốt mới như SiC và GaN được mong đợi làm tăng hiệu suất[48]. Gần đây xuất hiện các rectenna sử dụng FET hoặc HEMT. Các rectenna này sử dụng các linh kiện tích cực thay vì các linh kiện thụ động.
Có nhiều loại mạch chỉnh lưu siêu cao tần có thể được sử dụng trong Rectenna như: mạch mắc kiểu nối tiếp; mạch kiểu song song và kiểu nhân đổi điện áp[36,61]. Các báo cáo về hiệu suất RF-DC của rectenna đều cho kết quả từ 70% đến 90% tại tần số 2,45 GHz hoặc 5,8 GHz. Mặc dù vậy có sự khác nhau về cách tính hiệu suất trong từng cơng trình nghiên cứu. Cụ thể, tác giả tổng hợp một số nghiên cứu điển hình dưới đây.
1.5.1.1. Các nghiên cứu về Rectenna có mạch chỉnh lưu kiểu nối tiếp
Một số nghiên cứu về mạch Rectenna có mạch chỉnh lưu kiểu nối tiếp như sau:
- Cơng trình [66] đưa ra một cấu trúc Rectenna hoạt động ở tần số 2,45GHz với mạch kiểu chỉnh lưu kiểu nối tiếp có anten thực hiện thu năng lượng siêu cao tần và cả vai trị như một bộ lọc thơng thấp. Hiệu suất của mạch là rất cao đạt 74% với tải là một điện trở 1,3k. Nhược điểm của nghiên cứu này là sử dụng điốt HSMS2860 có mức điện áp chịu đựng thấp dưới 7V.
- Cơng trình [47] được thiết kế cho hệ thống thu nhận được mức năng lượng siêu cao tần thấp hoạt động ở tần số 2,45 GHz. Mạch có ưu điểm khá đơn giản nhờ phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây mạch dải và có bộ lọc LPF ở lối ra. Tuy vậy, hiệu suất của mạch khá thấp đạt 34%. Cơng trình [61] cũng đưa ra một thiết kế kiểu nối tiếp có cấu trúc đơn giản nhưng hiệu suất cũng đạt 56,6% cho mạch chỉnh lưu.
- Cơng trình [63] đưa ra một Rectenna hoạt động ở tần số 5,8 GHz với hiệu suất đạt 68,4%. Tuy nhiên, điốt MA4E1317 trong mạch lại có điện áp chịu đựng thấp dưới 7V dẫn đến khi ứng dụng cho hệ thống MPT với mức cơng suất lớn thì hiệu suất của Rectenna sẽ suy giảm rất nhanh.
- Cơng trình [13] đề xuất một thiết kế Rectenna với mạch chỉnh lưu nối tiếp và anten đipôn mạch dải hoạt động ở tần số 2,45 GHz. Hiệu suất của mạch đạt tới 83% với tải 600 khi công suất nhận được là 20 dBm. Cơng trình này đã giải
quyết được vấn đề hiệu suất cũng như đáp ứng được mục tiêu ứng dụng cho MPT. Tuy nhiên việc chế tạo anten đipơn mạch dải là khó khăn và mạch chỉnh lưu được thiết kế phức tạp.
1.5.1.2. Các nghiên cứu về Rectenna có mạch chỉnh lưu kiểu song song
Có khá ít các nghiên cứu về mạch Rectenna có mạch chỉnh lưu kiểu song song. Rectenna kiểu này có cấu trúc đơn giản và cũng cho hiệu suất chuyển đổi RF –DC lớn đạt tới 90% [36]. Tuy nhiên có một sự khác biệt về cách tính hiệu suất của Brown so với hiện nay.
- Cơng trình [25] đề xuất một cấu trúc Rectenna hoạt động ở tần số 2,45 GHz cho vệ tinh SPS, kết quả mô phỏng với mức công suất vào khá lớn (trong khoảng từ 5-25 W) cho hiệu suất đạt 41,23%. Tuy nhiên đây chỉ là kết quả mô phỏng và hiệu suất khá thấp.
- Cơng trình [61] cũng đưa ra một cấu trúc Rectenna đơn giản sử dụng điốt HSMS286B mắc kiểu song song đạt hiệu suất lớn nhất 38,6%. Đây là một kết quả thực nghiệm khá thấp.
- Cơng trình [24] là một cấu trúc Rectenna với mạch chỉnh lưu song song và anten đipôn mạch dải. Mạch hoạt động ở tần số 5,8 GHz với hiệu suất đạt 82%.
- Trong [64] một Rectenna chứa các bộ lọc BPF, phối hợp trở kháng và chỉnh lưu kiểu song song được đề xuất với hiệu suất đạt 72,17%. Mặc dù vậy, cấu trúc của mạch rất phức tạp và kích thước lớn 4cm x14cm.
- Cơng trình [35] là một đề xuất Rectenna hoạt động ở tần số 5,5 GHz cho cả hai ứng dụng là truyền năng lượng và thông tin. Hiệu suất đạt được là 57,3%.
1.5.1.3. Các nghiên cứu về Rectenna có mạch chỉnh lưu kiểu nhân áp
Một số nghiên cứu về mạch Rectenna có mạch chỉnh lưu kiểu nhân áp như sau:
- Rectenna kiểu nhân áp trong [61] có cấu trúc khá đơn giản nhưng đạt hiệu suất cao 68,7% với tải là thuần trở 9,45k ở tần số 2,66 GHz. Nhược điểm của mạch là hoạt động lệch tần số thiết kế của ban đầu cơng trình đề ra và cách khá xa tần số 2,45 GHz.
- Cơng trình [41] xây dựng Rectenna theo kiểu nhân áp với hiệu suất đạt 65,97% ở tần số 2,46 GHz. Cơng trình này đề xuất cấu trúc Rectenna từ các anten mảng 1x4 mạch dải tổ hợp theo kiểu cầu Wilkinson. Nhược điểm của mạch là kích thước khá lớn.
- Trong [38] là một cấu trúc nhân áp khá đơn giản giống như mạch chỉnh lưu thơng thường ở tần số thấp. Mạch có ưu điểm là dải tần hoạt động rộng cho mục đích thu gom năng lượng siêu cao tần. Hiệu suất của mạch rất thấp dưới 10%.
- Trong [36] công bố các kết quả về hiệu suất của mạch Rectenna kiểu nhân áp lần lượt là 55,3% (kết quả mô phỏng) ở tần số công tác 2,45 GHz và 50% (kết quả thực nghiệm) ở 5,5 GHz.
Ngoài ra cịn có một số Rectenna có cấu trúc tương tự hoặc dạng dùng hai điốt hay chỉnh lưu tồn sóng cũng đã được cơng bố như:
- Cơng trình [28] đưa ra cấu trúc kiểu chỉnh lưu tồn sóng với hiệu suất cao đạt tới 80%. Nhược điểm của mạch là phối hợp trở kháng khá phức tạp và phải dùng tới hai chip điốt khác loại là HSMS2863 và HSMS2864 (mỗi chíp tích hợp 2 điốt), nghĩa là mất tới 4 điốt. Hơn nữa hai loại điốt này lại chỉ cho hiệu ứng chỉnh lưu ở mức cơng suất thấp vì điện áp chịu đựng nhỏ.
- Cơng trình [52] đề xuất một Rectenna sử dụng hai điốt như kiểu chỉnh lưu tồn sóng ở tần số thấp. Trong đó [52] đã giải quyết vấn đề phối hợp trở kháng, bộ lọc thông thấp cho Rectenna để nâng cao hiệu suất. Tuy nhiên, kết quả mới dừng ở mô phỏng. Tiếp theo trong [45] đưa ra giải pháp chỉnh lưu tồn sóng với phương pháp phối trở kháng dùng ống dẫn sóng và đoạn mạch dải với hiệu suất
lần lượt đạt 78,5% và 65,5%. Tuy nhiên đây chỉ là kết quả mô phỏng và mạch yêu cầu sử dụng nhiều linh kiện.
- Cơng trình [50] đưa ra cấu trúc chỉnh lưu siêu cao tần dùng 2 điốt với hiệu suất đạt 78%. Trong cơng trình này, các tác giả cũng đưa ra giải pháp xây dựng thành mảng Rectenna từ các phần tử đơn lẻ.