6. Nội dung luận văn tập trung giải quyết
2.1. Giải pháp KHCN về mô hình hệ thống truyền dẫn
Truyền thông không dây sử dụng sóng vô tuyến để mang thông tin. Tuy nhiên trong hệ thống truyền năng lượng bằng sóng viba thì sóng vô tuyến được sử dụng để mang năng lượng; theo nguyên lý, sóng viba mang năng lượng sẽ là sóng đơn mà không có bất kỳ quá trình điều chế nào. Truyền dẫn năng lượng sóng viba sẽ sử dụng mật độ công suất ở bề mặt của ăng ten phát với cường độ bậc 3 hoặc bậc 4 của giá trị (order of magnitude), cao hơn mức tương ứng trong các hệ thống viễn thông không dây, tối đa là 25 bậc giá trị.
Hình 16: Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn năng lượng bằng sóng viba.
(Nguồn sixth international symposium Nikola Tesla)
Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn năng lượng bằng sóng viba được chỉ ra như trên hình, các thành phần chính của hệ thống bao gồm: Nguồn năng lượng viba, ăng ten phát và ăng ten nhận. Sự kết hợp của ăng ten nhận và mạch chỉnh lưu tạo ra rectenna. Ăng ten nhận năng lượng điện trường và mạch chỉnh lưu sẽ chuyển đổi thành nguồn điện một chiều. Nguồn viba bao gồm các ống
điện tử (klystron, TWT, hoặc là magnetron) hoặc là các thiết bị làm bằng bán dẫn (GaAs MESFET, GaN pHEMT, SiC MESFET, AlGaN/GaN HFET, InGaAs) với nguồn điện được sản xuất ra từ các mảng pin mặt trời để điều khiển nguồn phát. Một bộ ống dẫn sóng đồng trục được kết nối với bộ xoay vòng ferit để phối hợp trở kháng giữa nguồn viba với đầu vào của ăng ten phát, bộ xoay vòng ferit để bảo vệ nguồn viba khỏi nguồn phản xạ.
Có một vài kiểu ăng ten phát đã được thử nghiệm như: ăng ten dẫn sóng sẻ rãnh (slotted waveguide antennas), ăng ten lưỡng cực với gương phản xạ (dipole antennas with reflectors), hoặc là ăng ten vi mạch (microchip antennas). Các kiểu ăng ten phù hợp nhất phụ thuộc vào việc lựa chọn máy tạo sóng viba và bộ khuếch đại, cũng như là trọng lượng.
Đường kính một mảng ăng tên phát của một hệ thống SPS 1 GW cỡ khoảng 1 km. Mật độ dòng công suất viba trung bình trên bề mặt của ăng ten phát là khoảng 1000w/m2. Mảng ăng ten bị dịch pha đã được sử dụng nhằm mục đích đạt được hiệu suất tập trung chùm sóng viba cao khi mà các thuộc tính của SPS hay thay đổi. Với việc sử dụng tần số của hệ thống truyền dẫn năng lượng sóng viba là 2,45 GHz hay 5,8GHz mà số lượng các phần tử ăng ten đơn lẻ (tập hợp các ăng ten đơn lẻ sẽ tạo lên một mảng ăng ten) trên một m2
sẽ được tính toán vào khoảng 100 hoặc 400 phần tử. Mỗi phần tử ăng ten đơn tạo ra 10 hoặc 2.5W. Chính vì vậy tổng số lượng các phần tử ăng ten đơn có thể lên tới vài trăm triệu
Rectenna được phát minh bởi W. C. Brown năm 1960 là sự kết hợp của mạch chỉnh lưu và ăng ten. Rectenna là một phần tử thụ động cấu tạo bởi đi ốt chỉnh lưu (Si hoặc GaAs Schottky barrier, SiC và GaN), bộ lọc thông thấp giữa ăng ten (phân cực, Yagi-Uda, microstrip hoặc đĩa parabolic) và đi ốt chỉnh lưu để triệt bức xạ ngược của hoạ âm cao. Rectenna sẽ nhận năng lượng viba từ nguồn phát và chuyển thành nguồn điện một chiều.
Sơ đồ hệ thống truyền dẫn năng lượng viba sử dụng ống điện tử và bán dẫn:
Hình 17: Hệ thống truyền dẫn năng lượng bằng vi ba sử dụng ống điện tử
(Nguồn sixth international symposium Nikola Tesla)
Hình 18: Hệ thống truyền dẫn năng lượng bằng viba sử dụng bán dẫn
(Nguồn sixth international symposium Nikola Tesla)
Vệ tinh INT-7 NSTAR TDRSS ETS-6
Tần số (GHz) 4 2.5 2 2.5
Hiệu suất (%) 29 36 32 31
Công suất lối ra (W) 30 40 24 14
Trọng lượng (kg) 1.7 2.5 3.4 1.2
Bảng 2: Các đặc tính của các bộ truyền nhận vô tuyến bán dẫn trong các ứng dụng không gian
2.2. Giải pháp KHCN về lựa chọn tần số để phát chùm tia năng lượng vi ba