, () (3.27) Trong đó I là dòng điện siêu cao tần RF chạy qua điốt khi phân cực
t rên các rở ả
3.3.4. Mạch nhân áp phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây chêm đơn hở mạch
đơn hở mạch
Trong các thiết kế mạch chỉnh lưu siêu cao tần dùng để thu nhận năng lượng siêu cao tần tác giả sử dụng các điốt Schottky HSMS2820 làm phần tử chỉnh lưu. Phần này tác giả sử dụng thư viện linh kiện sẵn có của ADS để tìm trở kháng vào của mạch nhân thực hiện phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây chêm đơn hở mạch. Vì vậy, sơ đồ ngun lý mạch để tìm các thơng số trở kháng thiết kế trên phần mềm ADS2009 được đưa ra ở hình 3.31 dưới đây:
Hình 3.31. Mơ hình mạch mơ phỏng tính trở kháng vào của mạch nhân áp. Các tham số S11 và S22 của mạch được đưa ra ở hình 3.32 dưới đây.
Hình 3.32. Kết quả mơ phỏng S11 và S22.
Theo đó ta đạt được trở kháng lối vào của mạch là Zin = 12.8 – j*33.6. Sử dụng giá trị này thực hiện phối hợp trở kháng theo phương pháp sử dụng đoạn dây chêm đơn hở mạch đạt được hai nghiệm như sau:
Nghiệm thứ nhất: d1= 0.03468 và l1= 0.07439 Nghiệm thứ hai: d2= 0.16042 và l2= 0.42561
Qua thực nghiệm tác giả chọn nghiệm thứ 2 và dùng phần mềm ADS2009 để điều chỉnh đạt giá trị tối ưu được sơ đồ mạch chỉnh lưu siêu cao tần kiểu nhân đơi điện áp như hình 3.33 sau đây.
Kết quả mô phỏng của mạch được đưa ra ở hình 3.34. Theo đó mạch có hiệu suất trên 70% với các trở tải khảo sát khi mức công suất vào trong khoảng từ 20 dBm đến 26 dBm. Hiệu suất lớn nhất đạt 78.4 % ứng với điện trở 810 . Giá trị trở tải tối ưu trong khoảng 700 - 800.
Hình 3.34. Kết quả mơ phỏng hiệu suất chuyển đổi RF-DC của mạch chỉnh lưu nhân áp.
Sơ đồ mạch in và sản phẩm thực tế đưa ra ở hình dưới đây. Kích thước của mạch rất nhỏ gọn chỉ 3,5cmx2,5cm. So sánh với mạch nhân áp ở trên thì kích thước mạch này nhỏ hơn.
Hình 3.35. Layout và mạch thực tế. 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 600 Ohm 700 Ohm 810 Ohm 910 Ohm 1000 Ohm Hi ệu su ấ t (% )
Bảng 3.9. Điện áp lối ra (V) theo các mức công suất trên các trở tải khác nhau của mạch tách sóng nhân áp.
Kết quả tính hiệu suất thực tế theo cơng suất vào của các trở tải khác nhau được đưa ra ở hình 3.36 sau đây:
Hình 3.36. Hiệu suất theo cơng suất vào của các trở tải thực tế. Giá trị hiệu suất lớn nhất đạt được của mạch là 71,5% với điện trở tải là 810Ω ở mức công suất vào là 23dBm. Như vậy so với kết quả mô phỏng sự chênh lệch là khá nhỏ chỉ khoảng 7%. Cũng theo đó điện trở tải tối ưu của mạch là các giá trị trong khoảng 810 Ω. Khoảng công suất cho giá trị hiệu suất cao trên 60% ở mức 23dBm cho hầu hết các điện trở tải. Với tất cả các trở tải khảo sát thì hiệu suất chuyển đổi cũng tăng khi công suất vào tăng lên. Khi công suất lối vào lớn hơn 23dBm thì hiệu suất bắt đầu giảm. Điều này có thể được giải
thích là khi cơng suất tăng điện áp lối ra cũng tăng và khi công suất đủ lớn điện áp ra đạt tới giá trị bão hịa và khi đó hiệu suất sẽ giảm đi. Hiệu suất của mạch chỉnh lưu của các tải khảo sát đều có giá trị lớn hơn 50% khi mức công suất vào trong khoảng từ 15 dBm đến 25 dBm.
Như vậy trong 4 mạch chỉnh lưu siêu cao tần đã thực hiện, mạch nhân đôi điện áp được thiết kế với kiểu có mạch phối hợp trở kháng lối vào dùng đoạn dây chêm đơn hở mạch có hiệu suất lớn nhất. Mạch cũng có kích thước nhỏ gọn phù hợp cho ứng dụng thực tế yêu cầu thiết kế chế tạo thành các ma trận mạch rectenna. Mặc dù vậy, nhược điểm của mạch chính là sử dụng nhiều linh kiện hơn (2 điốt thay vì dùng 1) kiểu mạch mắc nối tiếp cũng như mắc song song.
Dưới đây là bảng so sánh kết quả các mạch chỉnh lưu của tác giả với một số cơng trình đã cơng bố.
Bảng 3.10. Bảng so sánh hiệu suất của các mạch chỉnh lưu
Qua đó nhận thấy mạch nhân áp do tác giả đề xuất có hiệu suất khá tốt so với các kết quả đã công bố. Cấu trúc mạch của tác giả đề xuất cũng nhỏ gọn và dễ chế tạo hơn. Hơn nữa các điốt HSMS2820 có điện áp bão hịa lớn hơn sẽ phù hợp với mục đích ứng dụng cho hệ thống MPT (cũng như đề xuất cho hệ thống SPS). STT Loại chỉnh lưu siêu cao tần Hiệu suất (%) Tần số hoạt động (GHz) Loại điốt sử dụng 1. Mạch nhân áp trong [15] 32 0,9 và 2,4 HSMS2850 2. Mạch nhân áp trong [41] 65,97 2,246 HSMS286C 3. Mạch nhân áp trong [61] 68,7 2,45 HSMS286C
4. Mạch dual trong [65] 65 2,45 MA4E1317
5. Mạch nhân áp Villard của tác giả
70,6 2,45 HSMS2820
6. Mạch nhân áp PHTK dây chêm đơn của tác giả