, () (3.27) Trong đó I là dòng điện siêu cao tần RF chạy qua điốt khi phân cực
o và kết quả thực nghiệm
3.3. Thiết kế và chế tạo các mạch chỉnh lưu siêu cao tần
3.3.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ kiểu nối tiếp
Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ kiểu nối tiếp có cấu trúc đơn giản bao gồm một điốt tách sóng và một tụ điện. Sơ đồ nguyên lý của mạch được ra ở hình 3.19. Để đơn giản và giảm suy hao khi có mạch lọc lối vào ở rectenna trong thiết kế này không sử dụng bộ lọc. Mạch chỉnh lưu sẽ bị khóa ở nửa chu kỳ âm. Việc phối hợp trở kháng giữa anten thu và điốt được thực hiện qua các đoạn mạch dải TL1, TL2 và đoạn mạch dải TL3. Vì mạch chỉnh lưu là khơng tuyến tính nên việc phối hợp trở kháng được thực hiện qua tính tốn trở kháng lối vào của điốt tại tần số thiết kế (f=2,45GHz) và mô phỏng tối ưu bằng gói phần mềm ADS (phiên bản ADS2009). Việc lựa chọn các điốt để thực hiện tách sóng là rất quan trọng. Với mỗi loại điốt khác nhau thì hiệu suất chuyển đổi RF-DC sẽ khác nhau. Theo đó, các điốt phải có thời gian khơi phục nhanh và hiệu suất chuyển đổi phải cao. Thông thường, các điốt Schottky được lựa chọn để thiết kế các rectenna dùng trong hệ thống truyền năng lượng không dây. Trong nghiên cứu này, điốt Schottky HSMS2820 được lựa chọn để thiết kế vì nó có điện áp thơng thuận khá nhỏ VF = 0,34 V và có điện áp đánh thủng lớn VB = 15V nên phù hợp cho thiết kế thu năng lượng có cơng suất cao (khi đó mới ứng dụng được cho hệ thống truyền năng lượng không dây). Mạch lọc lối ra bao gồm một tụ điện và các đoạn mạch dải TL4, TL5. Mạch tách sóng được mơ phỏng và chế tạo trên phíp đồng FR4 có hằng số điện mơi là 4,34, độ dày lớp dẫn điện là 1,5 mm và lớp đồng có độ dày 0,035 mm.
Kết quả mô phỏng hiệu suất của mạch được đưa ra ở hình 3.20. Mạch được mô phỏng với các điện trở chuẩn 220, 330 và 470. Theo đó hiệu suất của mạch tối ưu với trở tải là 220. Hiệu suất lớn nhất đạt được là 67,9% với mức công suất vào là 22 dBm. Cũng trên hình 3.20, ta nhận thấy là với các trở tải khác nhau mức công suất vào tối ưu trong khoảng từ 18 đến 24 dBm.
Sơ đồ mạch in và sản phẩm chế tạo của mạch tách sóng dạng nối tiếp cho trên hình 3.21. Kích thước của mạch là 4,2 cm x 2,4 cm và được chế tạo trên phíp đồng FR4. Kết quả thực nghiệm đo điện áp lối ra của mạch chỉnh lưu với các giá trị trở tải khác nhau theo các mức công suất vào thay đổi từ 10 dBm đến 26 dBm được cung cấp trên bảng 3.6. Điện áp được đo bởi một Vơn kế điện tử số.
Hình 3.19. Mạch chỉnh lưu nối tiếp dùng HSMS2820.
Hình 3.20. Kết quả mô phỏng hiệu suất chuyển đổi RF-DC của mạch chỉnh lưu nối tiếp.
Công suất lối vào (dBm)
Hi ệu s u ấ t ( % ) 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 10 20 30 40 50 60 70 220 Ohm 330 Ohm 470 Ohm
Với mạch chỉnh lưu nối tiếp từ kết quả thực nghiệm thấy rằng với giá trị trở tải RL =220 thì mạch có hiệu suất lớn nhất đạt 40,17% với giá trị công suất lối vào là 24 dBm. Giá trị hiệu suất RF - DC ứng với một số điện trở tải được đưa ra ở hình 3.22. Theo đó hiệu suất tăng khi công suất lối vào tăng. Tuy nhiên khi cơng suất lối vào lớn thì hiệu suất bắt đầu giảm mạnh (lớn hơn 24dBm). Với tải là 220 thì hiệu suất RF – DC đạt giá trị lớn hơn 37% trong khoảng công suất lối vào từ 22 dBm đến 25 dBm. Cũng với trở tải này điện áp lối ra đạt 2,85V tại 20 dBm, 4,2 V tại 23 dBm và 5,7 V tại mức công suất lối vào 26 dBm. Các giá trị đo được so với kết quả mơ phỏng là khá chênh lệch. Điều này có thể được giải thích vì sự khơng lý tưởng của điốt cũng như sai khác do quá trình chế tạo mạch. Hơn nữa các điều kiện mô phỏng là lý tưởng.
(a) (b)
Hình 3.21. Sơ đồ mạch in (a) và sản phẩm (b) mạch chỉnh lưu nối tiếp.
Bảng 3.6. Điện áp lối ra (V) theo các mức công suất trên các trở tải khác nhau.
Trong khi ứng dụng thì hiệu suất của mạch có thể được cải thiện khi thực hiện thiết kế tích hợp cả anten thu và mạch tách sóng vì khơng phải sử dụng connector SMA. Khi đó hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng sóng siêu cao tần thành năng lượng điện một chiều DC có thể cao hơn.
Hình 3.2 theo cơng su
3.3.2 Mạch chỉnh lưu n
Trong hệ thống MPT, m
được sử dụng. Mạch kiểu shunt này bao g song với điốt và một đoạn m
song hoạt động giống như m HSMS2820 vẫn được chọ kế khác nhau.
Hình 3.
22. Giá trị hiệu suất chuyển đổi RF-DC theo công suất vào với một số giá trị trở tải.
nh lưu nửa chu kỳ kiểu shunt
ng MPT, mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ kiểu shunt c u shunt này bao gồm một điốt, một tụ n mạch dải có chiều dài /4. Đoạn /4 và t ng như một mạch lọc lối ra. Trong thiết k
ọn chế tạo rectenna nhằm so sánh các trư
Hình 3.23. Sơ đồ mạch chỉnh lưu song song
u shunt cũng thường điện nối song /4 và tụ điện song t kế này điốt m so sánh các trường hợp thiết
Hình 3.23 đưa ra sơ đồ nguyên lý của mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ kiểu shunt. Mạch cũng được thiết kế và tối ưu nhờ phần mềm ADS sau đó được chế tạo trên phíp đồng FR4 với các thông số đã nêu ở trên.
Kết quả mơ phỏng của mạch được đưa ra ở hình 3.24. So sánh với mạch nối tiếp thì ta thấy rằng cấu trúc này có hiệu suất thấp hơn khi cơng suất nhận được nhỏ. Từ kết quả mô phỏng cũng thấy rằng hiệu suất RF-DC sẽ giảm khi tăng giá trị trở tải tiêu thụ. Khi ta tăng cơng suất lối vào thì hiệu suất cũng tăng với tất cả các giá trị trở tải tiêu thụ khác nhau. Giá trị trở tải tối ưu trong khoảng 330 và đạt hiệu suất chuyển đổi RF-DC mô phỏng là 68% với mức công suất lối vào là 28 dBm.
Hình 3.24. Kết quả mơ phỏng hiệu suất chuyển đổi RF-DC của mạch chỉnh lưu kiểu shunt.
Sơ đồ mạch in và sản phẩm chế tạo của mạch chỉnh lưu dạng shunt cho trên hình 3.25. Kích thước của mạch là 2,4 cm x1,12 cm. Mạch cũng được thực hiện trên phíp đồng FR4. Mạch chỉnh lưu dạng shunt là mạch có kích thước nhỏ
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 220 Ohm 330 Ohm 470 Ohm
Công suất lối vào (dBm)
Hi ệu s u ấ t (% )
nhất trong 3 mạch chỉnh lưu được chế tạo trong luận án này. Với ưu điểm này khi chế tạo thành các mảng mạch chỉnh lưu thì kích thước của mảng sẽ giảm đáng kể. Kết quả thực nghiệm đo điện áp lối ra của mạch chỉnh lưu với các giá trị trở tải khác nhau theo các mức công suất vào thay đổi từ 10 dBm đến 26 dBm được cung cấp trên bảng 3.7.
Bảng 3.7. Điện áp lối ra (V) theo các mức công suất trên các trở tải khác nhau mạch kiểu shunt.
Điện áp được đo bởi một Vơn kế điện tử số. Với mạch tách sóng nối tiếp từ kết quả thực nghiệm thấy rằng với giá trị trở tải RL =330 thì mạch có hiệu suất lớn nhất đạt 39,27% với giá trị công suất lối vào là 19 dBm. Giá trị hiệu suất RF-DC ứng với một số điện trở tải được đưa ra ở hình 3.26. So sánh với kết quả mơ phỏng ta thấy kết quả này cũng khá chênh lệch với kết quả mô phỏng giống như trường hợp mạch nối tiếp. Điều này cũng có thể được giải thích tương tự như với mạch nối tiếp. Cũng lưu ý thêm là thông thường mạch sẽ chỉ phối hợp trở kháng với một giá trị trở tải xác định.
Hình 3.2 theo công su
3.3.3 Mạch chỉnh lưu ki
Mạch chỉnh lưu nhân áp là m hai điốt. Một mạch nhân đôi đi
mạch bao gồm điốt D1 và C1 làm nhi C2 làm nhiệm vụ ghim gi
lựa chọn. Sơ đồ nguyên lý c ADS2009 đưa ra ở hình 3.
trở kháng lối vào và TL3 dùng cho m được thiết kế và tối ưu b
đồng FR4. Sơ đồ mạch in và hình 3.23. Kích thước của mạ
đồng FR4. So sánh với m nhỏ hơn.
Kết quả mô phỏng c ưu trong khoảng 330 . Hi
26. Giá trị hiệu suất chuyển đổi RF-DC theo công suất vào với một số giá trị trở tải.
nh lưu kiểu nhân đôi điện áp Villard
nh lưu nhân áp là một mạch khuếch đại biên độ trong đó s ch nhân đơi điện áp Villard được đưa ra ở hình 3.4.c. Theo
D1 và C1 làm nhiệm vụ tách sóng đỉnh trong khi đó D2 và ghim giữ điện áp. Trong thiết kế này thì HSMS2820 v
nguyên lý của mạch khi thiết kế mô phỏng bằ hình 3.27. Các đoạn mạch dải TL2 dùng cho m i vào và TL3 dùng cho mạch phối hợp trở kháng lố
i ưu bằng phần mềm ADS sau đó mơ phỏng s ch in và hình ảnh sản phẩm chế tạo được đưa ra
ạch là 4 cm x 1,4 cm. Mạch được thực hi
i mạch nối tiếp thì mạch nhân đơi điện áp có kích thư
ng của mạch được đưa ra ở hình 3.28. Trong đó, tr . Hiệu suất chuyển đổi RF-DC lớn nhất đạt 72% v
trong đó sử dụng hình 3.4.c. Theo đó nh trong khi đó D2 và này thì HSMS2820 vẫn được ằng phần mềm i TL2 dùng cho mạch phối hợp ối ra. Mạch đã ng sử dụng phíp c đưa ra ở hình c hiện trên phíp n áp có kích thước
Trong đó, trở tải tối t 72% với mức
công suất lối vào là 26 dBm. Cũng theo hình 3.28 thì hiệu suất chuyển đổi RF- DC tăng khi công suất vào tăng cho tất cả các trở tải. Khi công suất vào quá lớn hiệu suất giảm mạnh bởi khi đó điốt rơi vào trạng thái bão hồ.
Hình 3.27. Sơ đồ ngun lý mạch nhân áp Villard.
Hình 3.28. Kết quả mơ phỏng hiệu suất chuyển đổi RF-DC của mạch chỉnh lưu nhân áp kiểu Villard.
Hình 3.29. Sơ đồ mạch in và sản phẩm mạch tách sóng kiểu nhân áp Villard.
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 150 Ohm 220 Ohm 330 Ohm 470 Ohm 560 Ohm
Công suất lối vào (dBm)
Hi ệu s u ấ t (% )
Bảng 3.8. Điện áp l
khác nhau của mạch tách sóng nhân áp
Giá trị điện áp đo đư bảng 3.8. Từ kết quả đo lư tương ứng của mạch. Hình 3. mạch chỉnh lưu nhân áp. mạch tách sóng đạt giá tr vào là 23 dBm và đạt giá tr
phỏng. Hiệu suất này tốt hơn nhi song song và kết quả trong
là 6,8 V.
Hình 3.30. Hiệu su