I CÔNG SUẤT PHỤC VỤ CHO PHẦN PHÁT NĂNG LƯỢNG SÓNG SÊU CAO TẦN
i công suất dùng AH201 và mô phỏng
2.6.4. Tổ hợp công suất sử dụng các mạch cầuWilkinson
Việc thiết kế chế tạo một mạch khuếch đại cơng suất có cơng suất lối ra lớn thường gặp nhiều khó khăn, phức tạp và giá thành cao. Thay vì vậy chúng ta có
thể thực hiện chế tạo các mạch khuếch đại với mức công suất nhỏ rồi thực hiện cộng công suất. Việc sử dụng mạch cầu Wilkinson là một trong những giải pháp đó. Nhờ đó hệ thống có giá thành thấp hơn và hoạt động cũng linh động hơn (vì sử dụng nhiều module khuếch đại cơng suất cùng loại).
Như trên đã trình bày việc thiết kế chế tạo các mạch khuếch đại công suất và mạch cầu Wilkinson, từ đó ta xây dựng mơ hình tổ hợp cơng suất. Nếu sử dụng mạch WPD 4 đường thì mơ hình tổ hợp được đưa ra ở hình 3.43.
Hình 2.43. Mơ hình tổ hợp cơng suất dùng WPD 4 đường.
Theo đó với 4 module cơng suất dùng PTFA240451E được tổ hợp bởi WPD 4 đường chúng ta đạt được mức công suất lối ra 52 dBm (tương đương 158,5W) ở mức tín hiệu vào là 10dBm. Để đơn giản ở đây sử dụng một mạch khuếch đại dùng AH201 và một module khuếch đại dùng PTFA240451E được ghép thành mạch khuếch đại Driver-Amp.
Nếu sử dụng mạch WPD 8 đường thì mơ hình tổ hợp được đưa ra ở hình 2.44.
Hình 2.44. Mơ hình t Với WPD 8 đường công su Đây là một mức công suấ 2,45 GHz trong băng tần ISM.
Nhận xét và kết luận chương 2
Trong chương 2, tác gi
thực hiện nhiệm vụ chuy
siêu cao tần công suất lớn bao g khuếch đại công suất sử
suất kiểu cầu Wilkinson theo công ngh
được như:
Thiết kế và chế tạo các m dẫn SPF3043 được chế t động 2,45GHz với mức cơng su
. Mơ hình tổ hợp cơng suất dùng WPD 8 đư
ng công suất lối ra đạt mức 55,5 dBm, tương đương 355 ất lớn cho hệ thống phát siêu cao tần hoạt đ
n ISM.
n chương 2
Trong chương 2, tác giả đã đề xuất: Xây dựng các thành phần c
chuyển đổi năng lượng điện một chiều thành năng lư n bao gồm các mạch tạo dao động, khuế
dụng linh kiện bán dẫn và phương pháp t u Wilkinson theo công nghệ mạch dải. Các kết quả quan tr
o các mạch dao động siêu cao tần sử dụng linh ki tạo theo công nghệ pHEMT GaAs FET có t c cơng suất lối ra lớn đạt 8,16 dBm và ổn định.
t dùng WPD 8 đường. c 55,5 dBm, tương đương 355 W. t động ở tần số của tuyến phát u thành năng lượng ếch đại đệm và n và phương pháp tổ hợp công quan trọng đạt ng linh kiện bán pHEMT GaAs FET có tần số dao
Mạch khuếch đại đệm AH201 được chế tạo với hệ số khuếch đại lớn hơn 13 dB và hoạt động trong một dải thông lớn từ 1,6 GHz đến 2,7 GHz, do đó mạch có khả năng ứng dụng cao trong thực tiễn như cho hệ thống thông tin di động, hệ thống WIFI, radar và đóng vai trị mạch khuếch đại đệm cho tầng công suất trong hệ thống truyền năng lượng không dây MPT.
Đặc biệt, module khuếch đại công suất dùng PTFA240451E đã được thiết kế chế tạo với phương pháp phối hợp trở kháng dải rộng, thay đổi nhiều thang trở kháng đặc trưng, mỗi module có mức công suất ra lớn nhất là 45 W. Luận án đưa ra giải pháp phối hợp dải rộng nhằm giải quyết hệ số truyền S21 có giá trị lớn hơn, do đó dải truyền qua rộng hơn, tránh tự kích và tạo khả năng chế tạo các mơ đun có cùng cơng suất 45 W, ổn định về hệ số khuếch đại và ổn định pha, đáp ứng yêu cầu sử dụng bộ chia/cộng theo kiểu cầu Wilkinson.
Các module này được dùng làm cơ sở cho việc xây dựng mơ hình hệ thống trong đánh giá hiệu suất truyền năng lượng không dây ở khoảng cách gần. Khi sử dụng các mạch cầu Wilkinson để cộng công suất từ các module cơ sở 45W thì chúng ta sẽ đạt được những bộ phát có cơng suất lớn hơn.
Sau khi nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tác giả đã kiểm chứng bằng nhiều phương tiện đo kiểm chứng. Các thông số đo đạc thực nghiệm đã chứng minh rằng phương pháp thiết kế và chế tạo là hiệu quả và đạt chất lượng cao. Các nội dung chính của chương này được cơng bố trong các cơng trình từ [1]đến [5] của tác giả.
Chương 3. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC RECTENNA
3.1. Giới thiệu
Trong hệ thống truyền năng lượng khơng dây WPT, một trong những chìa khóa để thực hiện thành cơng hệ thống chính là Rectenna. Rectenna là từ viết tắt thuật ngữ tiếng Anh: Rectifying Antenna. Một Rectenna được sử dụng để chuyển đổi từ năng lượng sóng siêu cao tần thành năng lượng điện một chiều. Rectenna là một mạch điện thụ động với điốt chỉnh lưu hoạt động không cần cung cấp nguồn nuôi. Sơ đồ khối tổng quát của một Rectenna được đưa ra ở hình 3.1[14,25,28,48,49]. Theo đó, Rectenna thường bao gồm các thành phần chính là một anten thu, mạch phối hợp trở kháng, có thể có mạch lọc (có thể là mạch lọc thơng thấp LPF, mạch lọc thông dải BPF hoặc mạch lọc thông cao HF tùy theo người thiết kế), mạch chỉnh lưu siêu cao tần (mạch tách sóng) và mạch lọc lối ra thường là mạch lọc một chiều. Điện áp lối ra được cấp cho tải tiêu thụ.
Hình 3.1. Sơ đồ khối của một rectenna.
Tần số hoạt động của rectenna cũng là một thơng số thiết kế đóng vai trị rất quan trọng. Điều này phụ thuộc vào tùy từng ứng dụng. Ở tần số thấp (dưới 1GHz) thì kích thước của anten như chúng ta đã biết là rất lớn. Tăng tần số lên chúng ta có thể giảm kích thước của các anten và tích hợp được chúng. Mặt khác, công suất nhận được của anten cũng phụ thuộc vào khoảng cách từ nơi phát và tuân theo định lý Friis theo biểu thức dưới đây[40].
= ∙ ∙ ∙ (3.1)
Trong đó Pr là công suất anten nhận được, Pt là công suất phía phát, Gt và
Gr lần lượt là độ lợi của anten phát và anten thu, là bước sóng của sóng điện từ
sử dụng truyền năng lượng và D là khoảng cách từ nơi phát đến nơi thu. Từ biểu thức trên thấy rằng công suất nhận được cách bộ phát một khoảng nhất định giảm khi tăng tần số sử dụng. Để suy hao truyền dẫn trong không gian tự do thấp và kích thước của anten phù hợp thì nên chọn tần số trong khoảng dải tần số từ 1- 3 GHz[1,12]. Trong trường hợp này tần số được chọn f=2,45GHz trong băng tần ISM. Với tần số này thì khi thử nghiệm sẽ khơng bị cơ quan quản lý tần số vô tuyến kiểm soát. Hơn thế nữa, các kết quả nghiên cứu cũng có thể được ứng dụng cho những mục đích khác như WIFI, radar.
Mạch tách sóng trong Rectenna là mạch khơng tuyến tính [9]. Vì chúng ta đang xét nó trong hệ thống truyền năng lượng nên vấn đề hiệu suất biến đổi từ năng lượng sóng điện từ sang năng lượng điện một chiều DC (hiệu suất chuyển đổi RF-DC) cần được quan tâm xem xét. Biểu thức để tính hiệu suất chuyển đổi RF-DC được đưa ra ở biểu thức (3.2)[15,45,47,59].
= = / (3.2)
Trong đó, VRL là điện áp lối ra trên tải, RL là giá trị điện trở tải, Pr là công suất RF anten thu nhận được và PDC là công suất một chiều nhận được trên tải
RL.
Nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có thể tìm thấy trong[9]. Hình 3.2 minh hoạ các dạng tín hiệu điện áp RF trên điốt[65]. Mơ hình này giả thiết trở kháng nhìn vào điốt bằng khơng với tất cả các hài bậc cao do đó khơng có tổn hao năng lượng do các hài gây ra. Vì vậy hiệu suất của rectenna chỉ phụ thuộc vào các thông số của điốt và các tổn thất trên mạch điện DC. Dưới
đây đưa ra các biểu thức tính hiệu suất và trở kháng của điốt trong mạch tách sóng nửa chu kỳ [65].
Hình 3.2. Đặc tuyến V-A và các dạng sóng điện áp trên điốt. Điện áp được tính bởi biểu thức sau:
= − + (3.3)
Trong đó VD là điện áp rơi trên điốt và VP là điện áp đỉnh của tín hiệu RF. Điốt tách sóng hoạt động như một bộ trộn mà nó tạo ra một điện áp tự phân cực. Nếu công suất tới tăng lên, sự tự phân cực sẽ chuyển thành phân cực ngược. Điện áp Vj trên chuyển tiếp của điốt tính bởi:
= − + cos( − ∅) , ớ <
, ớ ≥ (3.4)
Trong đó Vj0 và Vj1 lần lượt là điện áp một chiều và điện áp xoay chiều rơi trên điốt; Vbi là điện áp làm điốt dẫn, on là góc mở thuận của điốt. Khi điện áp vượt quá Vbi thì điốt hoạt động ở trạng thái dẫn thuận. Sơ đồ tương đương để tính hiệu suất của điốt được đưa ra ở hình 3.3. Các yếu tố kí sinh được loại bỏ khỏi sơ đồ mạch. Mơ hình điốt bao gồm một điện trở nối tiếp, một điện trở phi tuyến tiếp giáp Rj, tụ Cj và một điện trở tải RL. Để đơn giản sẽ giả thiết Rj = 0
Pha tín hiệu
nếu điốt phân cực thuận và bằng vô cùng nếu phân cực ngược. Áp dụng định luật Kirchoff về điện áp trong sơ đồ tương đương ta được:
+ + , = 0 (3.5)
Với VD = IDRL thì điện áp một chiều DC lối ra được tính bởi:
VD=-Vj,dc RL
RS+RL (3.6)
Hình 3.3. Sơ đồ tương đương của mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ. Điện áp một chiều DC lối ra được quyết định từ điện áp chỉnh lưu Vj. Trong mỗi chu kỳ, giá trị trung bình của Vj là:
, = ∫ + ∫ (− + ) (3.7)
Thành phần đầu tiên của Vj,dc biểu diễn cho trường hợp phân cực thuận và thành phần thứ hai là cho trường hợp phân cực ngược. Thu gọn phương trình trên, ta có:
, = − 1 − − (3.8)
Khi điốt chuyển trạng thái từ khoá sang dẫn thì Vj = Vbi. Do đó;
− + = (3.9)
Khi điốt khoá, Rj là vô cùng. Áp dụng định luật Kirchoff về điện áp đạt được:
− + + = 0 (3.10)
= (3.11)
Hai phương trình trên đây có thể được viết lại như sau:
= (3.12)
Trong đó Cj có thể được biểu diễn như một hàm của VD như sau:
= + cos( − ∅) + cos(2 − 2∅) + ⋯ (3.13)
Sử dụng hai phương trình trên ta có:
− = − + ∅ − −
∅ (3.14)
Trong đó = − ∅. Bởi vì phương trình này đúng cho trường hợp điốt
khố nên mỗi một thành phần sin có thể được chọn như sau:
= (3.15)
= ∅ (3.16)
∅ = ( − ) (3.17)
Thế biểu thức (3.14) vào (3.15) và (3.5) vào (3.7) dẫn đến:
= − (1 + ) (3.18)
Nếu gần đúng sự lệch pha =0 kết quả là VP=Vj1. Thay thế điều đó cùng biểu thức (3.14) vào (3.8) và (3.17) ta được:
− =
( ) (3.19)
Biểu thức trên cho phép tính được góc mở on và on bị phụ thuộc vào công suất đưa vào điốt được quyết định bởi cả Vbi và VD.
Hiệu suất của điốtD được biểu diễn bằng:
Trong đó PL là cơng suất tiêu tán bởi điốt và Pdc là công suất DC lối ra qua điện trở tải RL. Các giá trị công suất này được tính bởi các cơng thức dưới đây.
= , + , + , (3.21)
= (3.22)
Các thành phần của cơng suất tổn hao PL trên điốt có thể được tính bởi:
, = ∫ ( ) (3.23)
, = ∫ ( ) (3.24)
, = ∫ ( ) (3.25)
Khi giả thiết điện trở của điốt là vô cùng lớn ở nửa chu kỳ đóng thì tổn hao qua chuyển tiếp điốt có thể được bỏ qua. Những cơng suất tổn hao này là giá trị trung bình của dịng điện chạy qua phần tử và điện áp rơi trên phần tử đó. Tổng cơng suất tổn hao trên điện trở nối tiếp có thể tính bằng tích phân dưới đây.
= 1
2 (− − + ) +
(3.26) Sử dụng dịng RF thay vì điện áp ở thành phần tổn hao thứ 2 ta có thể viết lại được: