I CÔNG SUẤT PHỤC VỤ CHO PHẦN PHÁT NĂNG LƯỢNG SÓNG SÊU CAO TẦN
i công suất dùng AH201 và mô phỏng
2.6. Tổ hợp công suất bằng mạch cầuWilkinson 1 Nguyên lý chung
2.6.1. Nguyên lý chung
Một trong những phương pháp để đạt được công suất lớn phát đi trong hệ thống truyền năng lượng khơng dây dùng sóng siêu cao tần là cần sử dụng phương pháp tổ hợp cơng suất. Có nhiều phương pháp tổ hợp công suất như sử dụng mạch cầu Wilkinson, các bộ ghép kiểu chữ T,…v.v. Tuy nhiên nhờ những ưu điểm như dễ thiết kế, có tính chất đối xứng nên kiểu mạch cầu Wilkinson (Wilkinson Power Divider/Combiner, WPD) thường được sử dụng trong kỹ thuật tổ hợp công suất. Các bộ chia cộng WPD là những bộ chia/cộng công suất đồng pha và đồng biên độ vì vậy tín hiệu đi qua bộ chia sẽ ổn định về pha và biên độ. Từ tính chất quan trọng đó tác giả đề xuất giải pháp tổ hợp công suất sử dụng các bộ chia/cộng WPD. Các mođun công suất đã được thiết kế ở trên sẽ được dùng vào việc tổ hợp cơng suất như trình bày tiếp theo ở dưới đây. Với mơ hình cấu trúc kiểu mơ đun như vậy việc thiết kế, chế tạo và xây dựng các thành phần của hệ thống truyền năng lượng khơng dây ở phía bộ phát sẽ đơn giản và linh động hơn. Điều này cũng tạo thuận lợi hơn khi thực hiện vận hành và điều khiển hệ thống. Hơn thế nữa, việc thiết kế, chế tạo các thành phần dạng mô đun cũng phù hợp với cấu trúc kiểu sandwich được đề xuất sử dụng cho mơ hình vệ tinh thu năng lượng mặt trời trong vũ trụ truyền về trái đất SPS.
Mơ hình tổ hợp cơng suất dùng cầu Wilkinson cho hệ thống truyền năng lượng không dây được minh họa ở hình 2.30.
Hình 2.30. Mơ hình tổ hợp cơng suất cho hệ thống MPT.
Các khối chính bao gồm máy phát tín hiệu, mạch khuếch đại đệm, các mô đun khuếch đại công suất PA (Power Amplifier), các bộ chia cộng N đường kiểu cầu Wilkinson và mạch phối hợp trở kháng lối ra với anten.
Trong thực tế, bộ chia/cộng công suất kiểu cầuWilkinson hay được dùng nhất bởi đây là cấu trúc có đặc tính khơng tổn hao nếu như tất cả các cổng lối ra đều được phối hợp trở kháng với lối vào và sự cách ly giữa các cổng rất tốt. E.J. Wilkinson là người đã phát triển bộ chia này nên bộ chia/cộng được đặt theo tên ông. Bộ chia/cộng công suất WPD là một phương pháp chia/cộng công suất đồng pha và đồng biên độ.
Bộ chia/cộng WPD cơ sở là bộ chia/cộng hai. Bộ chia/cộng này sử dụng đoạn dây /4 tại trung tâm tần số thiết kế với hai nhánh chia/cộng cơng suất có trở kháng đặc tính là √2 và một điện trở 2*Z0 nối hai cổng ra với nhau [7,16,17,20,56]. Cấu trúc của bộ chia/cộng WPD 1:2 sử dụng kỹ thuật mạch dải được cho ở hình 2.31.
(a) (b)
Hình 2.31. Mạch cầu Wilkinson dạng mạch dải (a) và sơ đồ tương đương (b). Bộ chia/cộng WPD có tất cả các cổng ra đều được phối hợp trở kháng 50 và cách ly giữa các lối ra với nhau nhưng nó cũng bị suy hao. Ma trận tán xạ bộ chia WPD 1:2 được đưa ra ở công thức sau [17]:
=
0 − /√2 − /√2
− /√2 0 0
− /√2 0 0
(2.37)
Chú ý rằng khi các cổng ra đều được phối hợp trở kháng (S11 =0) với lối vào thì chúng ta có:
| | + | | + | | = 1 (2.38)
Chúng ta sẽ xây dựng được bộ chia/cộng WPD 1:4 bằng cách mắc ghép nối tầng các bộ chia/cộng WPD 1:2. Trong trường hợp bộ chia/cộng WPD 1:4 ta có ma trận tán xạ như sau [17]: = ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ 0 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 0 0 0 0 / 2 0 0 0 0 / 2 0 0 0 0 / 2 0 0 0 0 j j j j j j j j ⎦⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ (2.39) Ta cũng có:
| | + | | + | | + | | + | | = 1 (2.40)
Việc thiết kế các bộ chia/cộng Wilkinson chính là việc thực hiện phối hợp trở kháng cho các cổng vào ra tùy theo yêu cầu.
Trong thực tế có thể phải thiết kế mạch cầu với nhiều đường. Sơ đồ dạng mạch cầu Wilkinson N đường [17] được minh họa ở hình 2.32.
Hình 2.32. Mạch cầu N đường.
Để tổ hợp được nhiều module khuếch đại công suất và không quá nhiều đường ở đây chọn N=4 và N=8 để thiết kế. Dưới đây tác giả trình bày việc thiết kế chế tạo mạch cầu Wilkinson 4 đường và 8 đường cũng như các thông số quan trọng đạt được.