Thiết kế mạch VCO siêu cao tần

Phần này đề cập đến tình trạng cạn kiệt dần của các nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí gas trong vòng 50 năm tới. Điều này dẫn đến nhu cầu cấp thiết phải tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế bền vững. Các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời và năng lượng gió, được xem là giải pháp tiềm năng. Tuy nhiên, năng lượng mặt trời được đánh giá là có tiềm năng lớn hơn do khả năng khai thác ở nhiều khu vực rộng lớn hơn so với năng lượng gió. Hiện nay, việc sử dụng pin năng lượng mặt trời trên mặt đất vẫn chưa tối ưu do phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới, hiệu quả hơn là rất cần thiết.

Một giải pháp tối ưu hơn để khai thác năng lượng mặt trời là sử dụng vệ tinh năng lượng mặt trời (SPS). SPS được thiết kế như một trạm phát điện khổng lồ trên quỹ đạo địa tĩnh (GEO), thu năng lượng mặt trời liên tục và biến đổi thành chùm tia vi ba công suất cao truyền về Trái đất. Các nước phát triển như Mỹ và Nhật Bản đã và đang nghiên cứu, phát triển các sản phẩm sử dụng công nghệ này. Khi công nghệ này được hoàn thiện và phổ biến, sẽ giúp tiết kiệm diện tích, chi phí dây dẫn điện, và tạo không gian sống thoáng đãng hơn. Đồ án này tập trung vào một phần của hệ thống SPS, đó là việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ VCO băng tần S ứng dụng cho hệ thống truyền năng lượng sử dụng sóng vi ba (MPT), một thành phần quan trọng trong việc xây dựng bộ phát sóng vi ba công suất lớn cho hệ thống WPT điểm tới điểm. Hệ thống WPT cho phép tập trung năng lượng tốt hơn, tăng hiệu suất truyền năng lượng.

Mặc dù cả hệ thống WPT và hệ thống thông tin đều truyền năng lượng điện từ, nhưng sự khác biệt chính nằm ở hiệu suất. Hệ phương trình Maxwell chỉ ra rằng trường điện từ và năng lượng của nó lan truyền theo mọi hướng. Trong các hệ thống thông tin, năng lượng được truyền đi theo mọi hướng, đủ để truyền dẫn thông tin nhưng hiệu suất rất thấp. Vì vậy, các hệ thống này không được gọi là hệ thống truyền năng lượng không dây WPT. WPT tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất truyền năng lượng, không chỉ đơn thuần truyền thông tin, mà là chuyển đổi năng lượng từ vệ tinh về mặt đất một cách hiệu quả.

Phần này giới thiệu mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và chế tạo một bộ VCO (Voltage Controlled Oscillator) hoạt động trong băng tần S. Bộ VCO này đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng sóng vi ba (MPT), cụ thể là tạo ra tín hiệu sóng vi ba cần thiết cho quá trình truyền năng lượng. Việc lựa chọn băng tần S dựa trên các yêu cầu cụ thể của hệ thống MPT và các ứng dụng liên quan. Thiết kế tập trung vào việc đạt được các thông số kỹ thuật mong muốn, bao gồm dải tần hoạt động, biên độ tín hiệu, và độ ổn định tần số. Những thách thức trong thiết kế mạch siêu cao tần cũng được đề cập, nhấn mạnh vào sự phức tạp trong việc chuyển đổi từ lý thuyết sang thực tiễn.

Đồ án lựa chọn sử dụng mạch dao động Colpitts ba điểm điện dung cho thiết kế VCO. Sự lựa chọn này dựa trên các ưu điểm của mạch Colpitts về độ ổn định tần số và khả năng điều chỉnh tần số dễ dàng. Linh kiện chính được sử dụng là FET spf-3403, một linh kiện bán dẫn GaAs có hiệu suất cao, độ ồn thấp, dải tần hoạt động rộng, và hệ số khuếch đại lớn, rất phù hợp với ứng dụng siêu cao tần. Các thành phần inductor và varactor của khung cộng hưởng được tích hợp sẵn trong chip, giảm thiểu số lượng linh kiện bên ngoài và đơn giản hóa quá trình lắp ráp. Việc sử dụng IC này giúp cung cấp kết nối trực tiếp tới đầu vào điện áp điều chỉnh VCO và đầu ra đệm VCO, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của mạch.

Kết quả của đồ án cho thấy bộ VCO băng tần S đã được thiết kế và chế tạo thành công, đạt được dải tần hoạt động trong băng S và biên độ tín hiệu là 2.82dBm. Tuy nhiên, đồ án cũng chỉ ra các hạn chế về biên độ và độ tuyến tính của tín hiệu đầu ra, chưa đạt được độ tối ưu mong muốn. Những hạn chế này chủ yếu do thời gian thực hiện đồ án có hạn và kinh nghiệm của người thực hiện còn hạn chế. Các thông số khác của mạch VCO như độ ồn pha chưa được đánh giá đầy đủ. Đồ án đề xuất các hướng nghiên cứu trong tương lai để cải thiện các thông số kỹ thuật của mạch, bao gồm việc nâng cao độ tuyến tính và tìm hiểu thêm về các kỹ thuật thiết kế VCO tiên tiến hơn.

Phần này phân tích hiện tượng truyền sóng trên đường dây, đặc biệt là đối với tín hiệu cao tần và siêu cao tần. Khi kích thước của mạch so sánh được hoặc nhỏ hơn bước sóng, hiện tượng truyền sóng trở nên quan trọng, dẫn đến sự thay đổi pha tín hiệu dọc theo đường truyền và sự biến đổi trở kháng đặc tính. Những biến đổi này gây ra sóng phản xạ, dẫn đến tổn hao năng lượng. Hệ số phản xạ, có mối quan hệ với trở kháng, được sử dụng để định lượng năng lượng bị phản xạ. Các thông số sơ cấp của đường truyền sóng (R, L, G, C) được giới thiệu, tuy nhiên chúng không thể hiện rõ các tham số đặc tính của quá trình truyền sóng và không đo được trực tiếp. Hiện tượng tán xạ tần số (frequency dispersion) xảy ra trên các đường truyền có tổn hao, gây ra méo dạng tín hiệu do các thành phần tần số lan truyền với tốc độ khác nhau. Vận tốc pha là một hàm của tần số, ảnh hưởng đến sự truyền tải tín hiệu.

Điện áp và dòng điện tại một điểm bất kỳ trên đường dây là tổng của sóng tới và sóng phản xạ. Sóng phản xạ xuất hiện do sự bất phối hợp trở kháng tại tải. Hệ số phản xạ (Γ) là một số phức mô tả mối quan hệ giữa sóng tới và sóng phản xạ, phụ thuộc vào trở kháng tải và trở kháng đặc tính của đường truyền. Khi di chuyển trên đường truyền từ tải về nguồn, hệ số phản xạ điện áp di chuyển trên quỹ tích hình xoắn ốc trong mặt phẳng phức. Trong trường hợp tổng quát, đường truyền có tổn hao, Γ là một số phức. Với nguồn tín hiệu đơn sắc, sóng tới và sóng phản xạ gây ra giao thoa sóng, tạo ra hiện tượng sóng đứng với bụng sóng và nút sóng trên đường truyền. Hệ số sóng đứng (SWR) được định nghĩa, chỉ ra mức độ phối hợp trở kháng giữa tải và đường truyền. Nếu tải được phối hợp tốt, SWR = 1; nếu không, SWR > 1, cho thấy sự hiện diện của sóng phản xạ.

Đồ thị Smith là một công cụ đồ thị được sử dụng để đơn giản hóa việc tính toán trong kỹ thuật siêu cao tần, đặc biệt là trong việc phân tích và thiết kế các mạch điện. Nó biểu diễn hệ số phản xạ điện áp (Γ) dưới dạng tọa độ cực, giúp trực quan hóa mối quan hệ giữa trở kháng và hệ số phản xạ. Đồ thị Smith chứa các đường cong vòng tròn điện trở và điện kháng, cho phép xác định trực tiếp giá trị trở kháng tương ứng với một điểm hệ số phản xạ. Phối hợp trở kháng là một vấn đề quan trọng trong thiết kế các hệ thống vi ba, nhằm tránh tổn hao năng lượng do phản xạ sóng. Mạng phối hợp trở kháng lý tưởng là một mạng không tổn hao, làm cho trở kháng nhìn vào bằng trở kháng đặc trưng của đường truyền. Kỹ thuật sử dụng dây chêm, cả dây chêm đơn và dây chêm kép, được đề cập đến như là các phương pháp điều chỉnh phối hợp trở kháng, nhưng mỗi phương pháp có những hạn chế riêng.

Đồ án đã hoàn thành việc thiết kế và chế tạo bộ VCO băng tần S, đáp ứng được các yêu cầu đề ra. Quá trình thực hiện giúp người thực hiện hiểu rõ hơn về thiết kế mạch siêu cao tần, từ lý thuyết đến thực tiễn. Đồ án đã đạt được một số kết quả chính như thiết kế và chế tạo thành công VCO có dải tần thuộc băng S và biên độ 2.82dBm. Qua đó, người thực hiện tích lũy được nhiều kinh nghiệm và kỹ năng quý báu trong lĩnh vực thiết kế mạch siêu cao tần.

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế, đồ án vẫn còn một số thiếu sót. Cụ thể, biên độ và độ tuyến tính của tín hiệu đầu ra còn thấp, chưa đạt được độ tối ưu. Một số thông số khác của mạch VCO như độ ồn pha cũng chưa được đánh giá đầy đủ. Để hoàn thiện hơn, người thực hiện mong muốn nhận được sự góp ý, chỉ bảo từ các thầy cô giáo để cải thiện độ tuyến tính của tín hiệu và tìm hiểu thêm về các kỹ thuật thiết kế VCO khác, nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng của mạch.