LỜI MỞ ĐẦU Chúng ta đang khai thác mạnh các nguồn năng lƣợng hóa thạch nhƣ than đá, dầu mỏ, khí gas,… để phục vụ cho đời sống sinh hoạt và sản xuất. Tuy nhiên, các dạng năng lƣợng trên đều có hạn, có khả năng dần dần cạn kiệt sau 50 năm tới, nhƣ vậy năng lƣợng hóa thạch về lâu dài không thể cung cấp đủ năng lƣợng cho nhu cầu của con ngƣời trong tƣơng lai. Vì vậy các nguồn năng lƣợng tái tạo, một số đƣợc gọi là năng lƣợng sạchnhƣ năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió, nhiêu liệu sinh học, pin nhiên liệu,… đang rất đƣợc quan tâm nghiên cứu và khai thác. Các nguồn năng lƣợng tự nhiên nhƣ gió và ánh sáng mặt trời là những nguồn năng lƣợng sạch, tuy nhiên để so sánh thì ta nhận thấy năng lƣợng từ mặt trời là vô cùng lớn và có thể dùng đƣợc ở nhiều khu vực hơn so với năng lƣợng sinh ra từ gió.
Vài năm trở lại đây, trên thế giới đã xuất hiện các phƣơng tiện sử dụng năng lƣợng mặt trời bằng pin mặt trời nhƣng giải pháp này cũng chƣa đƣợc tối ƣu bởi các pin mặt trời này ở mặt đất nên khi không có ánh sáng mặt trời sẽ mất dần tác dụng. Một giải pháp tối ƣu hơn đó là sử dụng vệ tinh năng lƣợng giống nhƣ việc đƣa các bản pin mặt trời lên quỹ đạo để thu năng lƣợng ánh sáng tại mọi thời điểm rồi biến đồi sang chùm tia viba công suất cao đƣa về mặt đất. Kết quả và kinh nghiệm nghiên cứu biến đồi năng lƣợng mặt trời trên vũ trụ sang chùm tia viba công suất cao về mặt đất đã cho thấy khả năng đƣa nguồn năng lƣợng vũ trụ vào thực tế là rất khả quan. Hiện nay các nƣớc phát triển trên thế giới nhƣ Mỹ, Nhật đã có sản phẩm sử dụng năng lƣợng mặt trời từ vệ tinh năng lƣợng và tiến tới đƣa vào thị trƣờng.
Khi các sản phẩm dạng này đƣợc đa dạng hóa nghĩa là phần lớn các đồ điện gia dụng sẽ không cần dây nối điều này vừa tiết kiệm diện tích, tiết kiệm chi phí mua dây và làm không gian thoáng đãng. Các nghiên cứu này đã chứng tỏ việc sử dụng năng lƣợng sạch, rẻ tiền không còn là điều viễn tƣởng góp phần thúc đẩy các nƣớc khác nghiên cứu theo hƣớng này. Đề tài đồ án“Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ VCO băng tần S ứng dụng cho MPT” là một phần của việc xây dựng bộ phát sóng vi ba công suất lớn trong hệ thống truyền năng lƣợng sử dụng sóng viba - MPT (Microwave Power Transmission). Việc xây dựng thành công bộ phát sóng vi ba công suất lớnlà một trong những chìa khóa đểthực hiện thành công hệ thống này.
Các thành phần chính của bộ phát gồm bộ tạo dao động, bộ khuếch đại đệm và bộ khuếch đại công suất. VCO- Voltage Controlled Oscillator, là mạch tạo dao động có tần số của tín hiệu ra tỉ lệ với điện áp điều khiển đặt vào. VCO có thế thiết kế đƣợc ở tần số rất cao và thay đổi đƣợc trên một dải rộng, vì vậy mạch VCO sẽ có tính linh hoạt và tùy biến cao.Xuất phát từ tìm hiểu nguyên lý mạch tạo dao động, mạch VCO cùng một số sơ đồ mạch VCO phát siêu cao tần, em thiết kế, chế tạo bộ VCO với hai giải pháp dùng FET spf-3043 và IC MAX2750 hoạt động ở băng tần S. 2 Đồ án đƣợc chia ra làm 4 phần với nội dung cơ bản nhƣ sau: Chƣơng 1: Truyền năng lƣợng sử dụng sóng viba.
Chƣơng 2: Tổng quan về siêu cao tần. Chƣơng 3: Mạch tạo dao động điều hòa. Chƣơng 4: Chế tạo bộ dao động VCO. Do thời gian thực hiện ngắn cộng với vốn kiến thức còn rất hạn chế nên đồ án chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận đƣợc sự chỉ bảo của các thầy cô để hoàn thiện hơn bài viết của mình.
3 CHƢƠNG 1: TRUYỀN NĂNG LƢỢNG SỬ DỤNG SÓNG VIBA 1. Truyền năng lƣợng sử dụng sóng viba Truyền dẫn năng lƣợng không dây WPT (Wireless Power Transmission) là một trong những giải pháp đầy triển vọng trong những trƣờng hợp chúng ta cần truyền năng lƣợng tới những nơi có địa hình hiểm trở, hải đảo hoặc truyền năng lƣợng từ vũ trụ về trái đất. Truyền dẫn năng lƣợng không dây WPT có thể đƣợc thực hiện theo hai phƣơng pháp là sử dụng chùm tia laser hoặc chùm tia vi ba công suất lớn. Nếu sóng điện từ sử dụng có tần số nằm trong dải sóng viba thì chúng ta gọi đó là truyền năng lƣợng sử dụng sóng viba MPT (Microwave Power Transmission).
Nhƣ đã biết năng lƣợng điện từ luôn gắn liền với sự tồn tại và lan truyền của sóng điện từ. Chúng ta có thể sử dụng tất cả các lý thuyết về sóng điện từ khi nghiên cứu về truyền năng lƣợng không dây WPT. Sự khác nhau giữa WPT và hệ thống thông tin chỉ ở hiệu suất. Hệ phƣơng trình Maxwell chỉ ra rằng trƣờng điện từ và năng lƣợng của nó tồn tại theo tất cả các hƣớng.
Mặc dù trong hệ thống thông tin chúng ta cũng truyền năng lƣợng nhƣng theo tất cả các hƣớng. Năng lƣợng bộ thu nhận đƣợc đủ cho việc truyền dẫn thông tin nhƣng hiệu suất thì lại rất thấp. Do đó, chúng ta không gọi các hệ thống đó là hệ thống truyền năng lƣợng không dây WPT. Thông thƣờng WPT là hệ thống truyền năng lƣợng điểm tới điểm.
Với WPT chúng ta có thể tập trung năng lƣợng cho bộ thu tốt hơn. Điều này làm tăng hiệu suất truyền năng lƣợng. Ứng dụng lớn nhất của WPT qua sóng vi ba là cho vệ tinh thu nhận năng lƣợng mặt trời trong không gian SPS(Solar Power Satellite). SPS là một vệ tinh đƣợc thiết kế nhƣ một trạm phát điện khổng lồ đặt trên quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geostationary Earth Orbit) (Hình 1.
Ngoài ra trong những năm gần đây các thiết bị di dộng có sự tiến bộ nhanh chóng và đòi hỏi công suất tiêu thụ giảm đi. Điều này có nghĩa chúng ta có thể dùng chùm vi ba công suất nhỏ làm nguồn cho các thiết bị di động với công suất tiêu thụ thấp ví dụ nhƣ hệ thống nhận dạng sóng không dây từ xa RF-ID (Radio Frequency Identification).RF-ID là một IC mạnh cho truyền năng lƣợng và thông tin không dây dùng sóng vi ba. Đây là một ứng dụng quảng bá mới của MPT.1: Một số mô hình vệ tinh SPS. Các thành phần chính của hệ thống truyền năng lƣợng không dây Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống MPT.
Sơ đồ khối của hệ thống MPT đƣợc cho ở hình 1. Hệ thống bao gồm ba phần là khối phát (Hình 1.a), khối thu năng lƣợng vi ba (Hình 1.b) và không gian truyền sóng vi ba. Ở khối phát bao gồm nguồn một chiều DC, bộ dao động OSC tạo tín hiệu sóng vi ba 2.45GHz, tín hiệu này đƣợc đƣa vào bộ khuếch đại đệm BUF để có đƣợc công suất lối ra đủ lớn đƣa vào bộ khuếch đại công suất PA. Khối thu bao gồm các bộ lọc thông thấp LPF, diode chỉnh lƣu, lọc một chiều DC và tải tiêu thụ.
Bộ tạo sóng vi ba Công nghệ chủ yếu tạo ra bức xạ sóng viba là vấn đề cực kỳ quan trọng đối với hệ thống MPT. Chúng ta cần bộ tạo sóng vi ba/khuếch đại của hệ thống MPT có hiệu quả cao hơn so với hệ thống truyền thông tin. Để nhận đƣợc hiệu quả cao cho các rectenna chúng ta cần có sóng vi ba với pha và biên độ có độ ổn định và chính xác cao khi sử dụng anten mảng pha cho hệ thống MPT. Có hai loại tạo/khuếch đại sóng viba.
Đó là ống điện tử và khuếch đại bán dẫn. Với ống điện tử ví dụ nhƣ lò vi sóng có thể tạo ra và khuếch đại sóng viba tới hàng kW với nguồn cung cấp trên 1 KV. Bộ khuếch đại bán dẫn tạo ra tín hiệu viba công suất nhỏ dƣới 100W với nguồn nuôi khoảng dƣới 15V. Các thiết 5 bị bán dẫn cho WPT hiện vẫn còn khá đắt.
Mặc dù còn có những tranh luận song hiệu suất của các thiết bị ống điện tử (>70%) cao hơn so với bán dẫn (<50%). Chúng ta phải lựa chọn loại phù hợp tùy thuộc vào từng hệ thống MPT. Anten phát Tất cảcác anten đều có thểđƣợc áp dụngchocả hệ thốngMPT vàhệ thốngthông tin liên lạc, ví dụ nhƣ các loại antenYagi-Uda, anten loa, antenparabol, anten vi dải, anten mảng liên kết pha, anten rãnh dẫn sóng hoặcbất kỳ các loạikháccủa anten. Anten rãnh ống dẫn sóng là loại lý tƣởng nhất cho truyền công suất vì hiệu suất góc mở cao và khả năng chứa đƣợc công suất cao.
Với mục đích sử dụng cho hệ thống WPT thì chúng ta thƣờng sử dụng loại anten parabol. Mặc dù vậy, chúng ta phải sử dụng anten mảng pha trong MPT cho truyền hoặc nhận bao gồm cả hệ thống SPS bởi vì cần phải điều khiển trực tiếp chùm tia viba chính xác và nhanh chóng. Anten mảng này là một anten định hƣớng, nó tạo ra một chùm tia chuẩn nhỏ gọn và quan hệ trực tiếp với pha và biên độ của sóng tại các phần tử riêng lẻ của anten. Nó có thể định hƣớng chùm tia viba.
Các phần tử của mảng anten có thể là dipole, anten rãnh hoặc bất kỳ một loại anten nào thậm chí là anten parabol. Trong một số thử nghiệm tại Nhật Bản anten mảng pha đƣợc sử dụng để định hƣớng chùm tia viba. Tất cả các SPS đều đƣợc thiết kế với anten mảng pha. Chúng ta xem nhƣ là anten mảng liên kết pha đƣợc dùng cho hệ thống MPT.
Rectenna Khái niệm và tên rectenna đƣợc hình thành bởi Brown vào đầu thập kỷ 60 thế kỷ trƣớc. Rectenna là một khối bao gồm anten, mạch chỉnh lƣu với một bộ lọc giữa diode chỉnh lƣu và anten. Các anten sử dụng trong rectenna có thể là anten Yagi-Uda, các anten vi dải hoặc đĩa parabol. Anten mảng dipole đạt hiệu quả nhất.
Các diode Schottky thƣờng đƣợc sử dụng vì có thời gian khôi phục nhanh, điện áp thuận nhỏ và có các đặc tính RF tốt. Hệ thống điểm điểm MPT cần một diện tích rộng với một mảng rectenna lớn vì một phần tử của rectenna chỉ tạo ra vài W. Đặc biệt với vệ tinh năng lƣợng vũ trụ SPS, chúng ta cần một rectenna cực lớn và một mạng điện đã đƣợc nối với mạng điện có sẵn trên mặt đất. Ngƣợc lại cũng có một số ứng dụng MPT với một rectenna nhỏ nhƣ là trong RF-ID.
Sơ đồ khối của Rectenna đƣợc đƣa ra ở hình 1.3: Sơ đồ khối của một Rectenna. 6 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ SIÊU CAO TẦN 2. Kỹ thuật siêu cao tần Sóng siêu cao tần hay “viba” (microwaves) là những sóng điện từ có bƣớc sóng rất nhỏ, ứng với tần số rất cao trong phổ tần số vô tuyến điện.