, () (3.27) Trong đó I là dòng điện siêu cao tần RF chạy qua điốt khi phân cực
3.2.2. Anten mảng 1x4 chấn tử
Với anten chỉ gồm một miếng Patch thì cơng suất thu nhận được thường nhỏ. Đối với hệ thống truyền năng lượng khơng dây dùng sóng siêu cao tần chúng ta cần thu nhận được công suất lớn hơn so với hệ thống truyền thông tin. Để thực hiện điều này chúng ta thực hiện thiết kế chế tạo các anten mảng với nhiều chấn tử. Trong trường hợp này, tác giả thiết kế chế tạo hai loại anten mạch dải 1x4 chấn tử và 2x4 chấn tử. Việc lựa chọn này phụ thuộc vào yêu cầu cần có hiệu suất cao của hệ thống truyền năng lượng. Khi thiết kế anten mảng cần sử dụng các mạch tổ hợp công suất. Điều này sẽ gây nên tổn hao không cần thiết. Với 4 hoặc 8 chấn tử thì tổn hao sẽ ít hơn so với anten mảng có số lượng lớn hơn.
Các phương pháp tiếp điện cho anten có thể chia thành hai loại chính là kiểu tiếp điện nối tiếp hoặc tiếp điện song song (hay còn gọi là kiểu hợp nhất)[10]. Kiểu tiếp điện nối tiếp thường bao gồm một đoạn mạch dải liên tục nối các chấn tử (miếng patch) một cách nối tiếp với nhau. Hình 3.10 minh hoạ phương pháp này. Như vậy một phần năng lượng của các cổng sẽ được ghép vào các chấn tử khác bằng các phương thức khác nhau. So sánh với kiểu tiếp điện song song thì thấy rằng kiểu này có hiệu suất tốt hơn đó là vì số lượng các điểm tiếp điện của mảng ít hơn nhưng nhược điểm của nó là có băng thơng hẹp và tín hiệu với các tần số khác nhau khơng có sự kết hợp tốt vì sự dịch pha qua các chấn tử.
Hình 3.10. Kiểu tiếp điện nối tiếp cho anten mảng mạch dải. Kiểu tiếp điện song song có một lối vào và các đường tiếp điện song song nhau mà điểm cuối là các phần tử bức xạ ( có thể là các miếng patch). Một cấu trúc cơ bản của kiểu này là mạng một chiều là một mạch chia công suất khi là
anten phát xạ (hoặc mạch cộng công suất khi là anten thu). Cấu trúc này được đưa ra ở hình 3.11 và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật anten[33].
Hình 3.11. Cấu trúc tiếp điện cho anten kiểu song song.
Hình 3.12. Giá trị trở kháng các đoạn mạch dải
Trong cấu trúc này năng lượng sóng siêu cao tần từ các miếng patch được tổ hợp qua một mạch tổ hợp công suất N:1 (hoặc các chấn tử được tiếp điện qua bộ chia công suất 1:N, công suất tới các chấn tử này lý tưởng là bằng nhau nếu bộ chia là đối xứng). Nếu khoảng cách từ các miếng patch là đồng nhất thì vị trí của chùm tia là độc lập với tần số. Bằng việc thay đổi vị trí của lối vào chúng ta có thể điều khiển được hướng tính của anten. Đó là một trong những lợi thế của cấu hình này. Ngồi ra, cấu trúc này cũng đơn giản dễ thiết kế chế tạo, khoảng cách giữa các chấn tử là linh động và cho dải thông rộng hơn. Nhược điểm là do các đoạn mạch dải dài hơn nên có thể làm tăng tổn hao khơng cần thiết làm giảm hiệu suất của anten. Để giảm tổn hao và với mục đích thu nhận năng lượng sóng siêu cao tần với hiệu suất cao, tác giả thực hiện thiết kế một anten mảng với 1x4 phần tử. Anten bao gồm một mạch chia/cộng công suất 1:2, đoạn mạch dải /4
thực hiện phối hợp trở kháng giữa đường mạch 100 Ω và trở kháng chuẩn hố 50 Ω. Hình 3.12 trình bày các giá trị trở kháng của anten mảng 1x4.
Việc thiết kế anten bao gồm hai phần là tính tốn kích thước các miếng patch và kích thước các đoạn phối hợp trở kháng 50Ω, 70Ω và 100 Ω. Dưới đây tác giả trình bày chi tiết các thiết kế này.
3.2.2.1. Tính tốn kích thước các miếng patch
Việc tính tốn kích thước từng miếng patch của anten mảng giống như trường hợp anten một chấn tử. Chúng ta sử dụng các biểu thức (3.47), (3.48) và (3.49) để thiết kế.
3.2.2.2. Tính tốn kích thước đoạn /4, 50Ω và 99Ω
Để tính được kích thước đoạn /4, cần tính được trở kháng của nó. Trở
kháng này được tính nhờ biểu thức (3.45) bằng việc thay Rin=99 Ω và Z0 = 50Ω. Ta đạt được :
= √99.50 ≈ 70 (Ω)
Tương tự như với trường hợp anten một chấn tử, sử dụng công cụ LineCalc của ADS để tính tốn các kích thước này.
Bảng 3.3 đưa ra các thông số của anten mảng 1x4 được thiết kế.
Bảng 3.3. Thơng số kích thước của anten 1x4 được thiết kế
Patch (mm) Đoạn /4 (mm) Đoạn feedline 50 (mm) Đoạn 99 Ω (mm) Chiều rộng W (mm) 37,5 1,5 3,0 0,7 Chiều cao L (mm) 29 17,3 33,6 35,6 3.2.2.3. Kết quả mô phỏng
Kết quả mơ phỏng tổn hao phản hồi, hướng tính và hệ số khuếch đại 2D và 3D của anten được trình bày trên hình 3.13.
(a) Hệ số tổn hao ph
(c) Hệ số khuếch đạ Hình 3.13. K
Theo đó, hệ số tổn hao ph
lợi của anten khá lớn, tại búp sóng chính đ
3.2.2.4. Chế tạo và k
Sau khi thiết kế ta th anten đã chế tạo.
Kết quả đo tham số
n hao phản xạ. (b) Giản đồ hướ
ại 2D (d) Hệ số khuếch đ Kết quả mô phỏng anten 1x4 chấn tử
n hao phản xạ nhỏ hơn -10 dB tại tần số búp sóng chính đạt 11dB.