Luận văn Thạc sĩ Công nghệ điện tử viễn thông: Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây dải sóng 2.45ghz

Chia sẻ: Tomjerry001 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:71

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là để truyền được nguồn năng lượng từ vũ trụ về trái đất, có nhiều phương pháp để thực hiện tùy thuộc và bán kính truyền dẫn, trường gần hay trường xa. Với trường xa, sử dụng công nghệ chùm laser công suất cao hoặc vi ba. Nhưng theo nghiên cứu của các nhà khoa học, sử dụng chùm laser đạt hiệu suất thấp hơn sử dụng chùm tia vi ba. Mặt khác, dải tần để truyền dẫn năng lượng không dây từ vũ trụ về trái đất là dưới 2,45GHz hoặc 2,45GHz – 5,5GHz, tuy nhiên cũng theo nghiên cứu cho thấy truyền ở tần số cao 5,5GHZ thì kích thƣớc hệ thống rectenna nhỏ gọn, đơn giản nhưng hiệu suất lại thấp, còn truyền ở tần số thấp hơn 2,45 thì hiệu suất cao hơn nhưng kích thước rectenna lại lớn. Để cân bằng giữa hiệu suất và kích thước hệ thống antenna thu luận văn chọn giải pháp truyền năng lượng không dây với tần số truyền là 2,45GHz. Một vấn đề nữa là do truyền ở trường xa thì búp sóng loe ra dẫn đến khó điều chỉnh, nên luận văn xây dựng mô hình ở trường gần và tập trung thiết kế tuyến phát của mô hình truyền năng lượng không dây ở tần số 2,45GHz

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Công nghệ điện tử viễn thông: Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây dải sóng 2.45ghz

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ --------------------- NGUYỄN THỊ HUYỀN NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY DẢI SÓNG 2.45GHZ Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. BẠCH GIA DƢƠNG HÀ NỘI - 2014
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, đƣợc thực hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Bạch Gia Dƣơng. Các số liệu, kết luận của luận văn là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu những mô hình, thành quả đã đạt đƣợc của các nƣớc trên thế giới và trải nghiệm của bản thân, chƣa từng đƣợc công bố dƣới bất kỳ hình thức nào trƣớc khi trình, bảo vệ trƣớc “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật”. Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết. Hà Nội, ngày 13 tháng 10 năm 2014 Ngƣời cam đoan Nguyễn Thị Huyền Nguyễn Thị Huyền
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Bạch Gia Dƣơng, thầy đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo hƣớng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp. Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị trung tâm nghiên cứu điện tử viễn thông – Khoa điện tử viễn thông Trƣờng Đại học Công Nghệ đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn này. Mặc dù có nhiều cố gắng, nhƣng vì thời gian có hạn và vốn kiến thức còn rất hạn chế nên công trình còn nhiều thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận đƣợc sự đóng góp, chỉ bảo của các thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! Nguyễn Thị Huyền
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG LỜI MỞ ĐẦU 1 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục tiêu của đề tài 1 3. Phƣơng pháp nghiên cứu 2 4. Nội dung nghiên cứu 2 4.1 Nghiên cứu lý thuyết 2 4.2 Thiết kế hệ thống 2 5. Kết cấu luận văn 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY 4 1.1 Lịch sử truyển năng lƣợng không dây 4 1.2 Khái niệm, đặc điểm về trƣờng gần và trƣờng xa 7 1.2.1 Khái niệm 7 1.2.2 Một số đặc tính truyền sóng trong miền trƣờng gần 8 1.3 Một số phƣơng pháp truyền năng lƣợng không dây ở trƣờng gần và 9 trƣờng trung 1.3.1 Phƣơng pháp liên kết cảm ứng từ 10 1.3.2 Truyền năng lƣợng bằng phƣơng pháp cảm ứng điện từ 11 1.3.3 Một số ứng dụng của truyền năng lƣợng trƣờng gần 15 Nguyễn Thị Huyền
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz 1.4 truyền năng lƣợng không dây với trƣờng xa 16 1.4.1 Công nghệ chùm tia Laser công suất cao 16 1.4.2 Công nghệ truyền năng lƣợng bằng chùm tia vi ba 18 1.5 Một số vấn đề liên quan 22 1.5.1 Không gian truyền dẫn năng lƣợng không dây 22 1.5.2 Về độ an toàn 23 1.5.3 Về mức độ phát triển và kết quả đạt đƣợc 23 1.6 Một số ƣu, nhƣợc điểm của truyền năng lƣợng không dây và khó 23 khăn, thách thức 1.7 Kết luận 26 CHƢƠNG 2. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 27 2.1 Giới thiệu chung 27 2.2 Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần 28 2.2.1 Các loại đƣờng truyền 28 2.2.2 Phƣơng trình truyền sóng 29 2.2.3 Hệ số phản xạ 31 2.2.4 Hệ số sóng đứng 32 2.2.5 Giãn đồ Smith 33 2.3 Phối hợp trở kháng 35 2.3.1 Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung 36 2.3.2 Phối hợp trở kháng dải hẹp bằng những đoạn dây dẫn sóng mắc 38 liên tiếp 2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm 40 CHƢƠNG 3. CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI 45W VÀ LỰU CHỌN GIẢI 44 Nguyễn Thị Huyền
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz PHÁP TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY 3.1 Sơ đồ khối tuyến phát của hệ thống truyền năng lƣợng không dây 44 3.2 Thiết kế và mô phỏng bộ khuếch đại 45W 44 3.2.1 Transistor PTFA 240451E 45 3.2.2 Phƣơng pháp phối hợp trở kháng 45 3.2.3 Tính toán mô phỏng và thiết kế 45 3.2.4 Đo đạc kết quả và nhận xét 55 3.3 Giải pháp truyền năng lƣợng không dây 56 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 Nguyễn Thị Huyền
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG Hình 1.1 Hình 1.1 Tháp Wardenclyffe do Nikola Tesla xây dựng 5 Hình 1.2 Hình trong patent gốc về phƣơng pháp truyền năng lƣợng 6 không dây từ vũ trụ về mặt đất của Peter Glaser (1973) Hình 1.3 Sự phân chia các vùng trƣờng gần, trƣờng xa, vùng chuyển 8 tiếp theo bƣớc sóng Hình 1.4 Sơ đồ tƣơng đƣơng của một biến thế, năng lƣợng đƣợc 11 truyền không dây theo nguyên lý cảm ứng khi hai cuộn dây ở sát nhau nhƣng không tiếp xúc trực tiếp Hình 1.5 Hệ thống cuộn cảm hình ống đơn lớp cùng với tụ điện dung 14 (a) và cuộn cảm spiral xoắn trên một mặt phẳng cùng mạch điện (b) Hình 1.6 Mô hình hệ thống của Tesla 15 Hình 1.7 Mô hình nguyên l về phƣơng pháp truyền năng lƣợng 17 không dây từ vũ trụ về mặt đất bằng chùm tia Laser a,b,c) và một vài ứng dụng trong lĩnh vực quân sự e,f) Hình 1.8 Các thành phần của hệ thống SPS 19 Hình 1.9 Sơ đồ khối của Rectenna 21 Hình 1.10 Một số hoạt động về truyền thông tin và truyền năng lƣợng 24 không dây sử dụng chùm tia Vi ba và Laser trong vũ trụ trong tƣơng lai gần Hình 2.1 Phổ tần số của sóng điện từ 27 Nguyễn Thị Huyền
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz Hình 2.2 Các dạng đƣờng truyền sóng 29 Hình 2.3 Biểu diễn mạch tƣơng đƣơng của một đoạn đƣờng truyền 30 sóng siêu cao tần Hình 2.4 Giãn đồ Smith chuẩn 35 Hình 2.5 Sơ đồ phối hợp trở kháng 36 Hình 2.6 Mạch phối hợp trở kháng hình L 36 Hình 2.7 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây λ\4 38 Hình 2.8 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ 39 Hình 2.9 Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp 39 Hình 2.10 Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây chêm 40 Hình 2.11 Biểu diễn trên đồ thị Smith 41 Hình 2.12 Phối hợp trở kháng bằng dây chêm đôi 43 Hình 3.1 Sơ đồ khối tuyến phát của hệ thống truyền năng lƣợng 44 không dây Hình 3.2 Đặc trƣng công suất đầu ra, độ lợi và hiệu suất của 45 transistor PTFA 240451E Hình 3.3 Layout của Transistor SPF-3043 47 Hình 3.4 Hệ số khuếch đại của Transistor SPF-3043 47 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch tiền khuếch đại lối vào 48 Hình 3.6 Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại lối vào 49 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch tiền khuếch đại lối ra 49 Hình 3.8 Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại lối ra 50 Nguyễn Thị Huyền
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý tuyến phát nhánh lối ra 50 Hình 3.10 Kết quả mô phỏng tuyến phát nhánh lối ra 51 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý tuyến phát nhánh lối vào 51 Hình 3.12 Kết quả mô phỏng tuyến phát nhánh lối vào 52 Hình 3.13 Kết quả mô phỏng bằng giãn đồ Smith trên ADS 52 Hình 3.14 Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng nhánh lối vào 53 Hình 3.15 Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng nhánh lối ra 53 Hình 3.16 Sơ đồ phân cực cho khuếch đại công suất LDMOS sử dụng 54 công nghệ mạch dải Hình 3.17 Layout của mạch khuếch đại 55 Hình 3.18 Mạch thực tế của bộ khuếch đại công suất 45W 55 Hình 3.19 Kết quả đo thực nghiệm tham số S11 56 Hình 3.20 Rectenna của trạm thu 56 Hình 3.21 Các kiểu chỉnh lƣu siêu cao tần 57 Hình 3.22 Cấu trúc bộ chỉnh lƣu điển 57 Nguyễn Thị Huyền
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz LỜI MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hiện nay thế giới đang khai thác mạnh các nguồn năng lƣợng dựa trên nhiên liệu hóa thạch nhƣ là than đá, dầu mỏ, khí đốt… phục vụ đời sống, sinh hoạt, sản xuất của con ngƣời . Tuy nhiên, các dạng năng lƣợng này đều có hạn, có khả năng cạn kiệt trong thời gian tới. Chính vì thế, các nguồn năng lƣợng sạch, tái tạo đang rất đƣợc quan tâm khai thác nhƣ năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió, nhiên liệu sinh học, pin nhiên liệu. Để có thể đảm bảo an ninh năng lƣợng lâu dài cho loài ngƣời, từ nhiều thập kỷ nay, các nhà khoa học đã và đang tập trung tìm kiếm các nguồn năng lƣợng mới, trong đó có nguồn năng lƣợng mặt trời truyền không dây từ vũ trụ về mặt đất bằng công nghệ chùm tia vi ba và laser công suất cao. Để tiếp cận vấn đề khai thác năng lƣợng mặt trời, luận văn tập trung nghiên cứu với đề tài “ Nghiên cứu truyền năng lƣợng không dây ở dải sóng 2,45 GHz”. 2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Để truyền đƣợc nguồn năng lƣợng từ vũ trụ về trái đất, có nhiều phƣơng pháp để thực hiện tùy thuộc và bán kính truyền dẫn, trƣờng gần hay trƣờng xa. Với trƣờng xa, sử dụng công nghệ chùm laser công suất cao hoặc vi ba. Nhƣng theo nghiên cứu của các nhà khoa học, sử dụng chùm laser đạt hiệu suất thấp hơn sử dụng chùm tia vi ba. Mặt khác, dải tần để truyền dẫn năng lƣợng không dây từ vũ trụ về trái đất là dƣới 2,45GHz hoặc 2,45GHz – 5,5GHz, tuy nhiên cũng theo nghiên cứu cho thấy truyền ở tần số cao 5,5GHZ thì kích thƣớc hệ thống rectenna nhỏ gọn, đơn giản nhƣng hiệu suất lại thấp, còn truyền ở tần số thấp hơn 2,45 thì hiệu suất cao hơn nhƣng kích thƣớc rectenna lại lớn. Để cân bằng giữa hiệu suất và kích thƣớc hệ thống antenna thu luận văn chọn giải pháp truyền năng lƣợng không dây với tần số truyền là 2,45GHz. Nguyễn Thị Huyền 1
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz Một vấn đề nữa là do truyền ở trƣờng xa thì búp sóng loe ra dẫn đến khó điều chỉnh, nên luận văn xây dựng mô hình ở trƣờng gần và tập trung thiết kế tuyến phát của mô hình truyền năng lƣợng không dây ở tần số 2,45GHz. 3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để thực hiện chuyên đề trên, phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc sử dụng gồm:  Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phƣơng pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết, cập nhật và xử lý tài liệu liên quan về thiết kế mạch điện siêu cao tần, nghiên cứu phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS 2009;  Phƣơng pháp nghiên cứu thực tiễn: Sử dụng phƣơng pháp quan sát khoa học để tìm hiểu mạch khuếch đại tạp công suất đã có trên cơ sở đó thiết kế mạch khuếch đại công suất 45W với các thông số Gain, NF, phối hợp trở kháng tốt hơn;  Phƣơng pháp mô phỏng: Trên cơ sở thiết kế đã có thực hiện mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng ADS, sau khi đạt chỉ tiêu kỹ thuật sẽ tiến hành chế tạo thử nghiệm mạch khuếch đại công suất 45W; 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4.1 Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu về mô hình truyền năng lƣợng không dây SPS. - Nghiên cứu kỹ thuật phối hợp trở kháng trong kỹ thuật siêu cao tần - Nghiên cứu phần mềm mô phỏng ADS và transistor PTFA - 240451E và SPF 3043 4.2 Thiết kế hệ thống - Thiết kế và mô phỏng tầng kích công suất - Mô phỏng tuyến phát dùng LDMOS - Thiết kế layout cho mạch khuếch đại - Lắp ráp và đo thử nghiệm trên máy phân tích mạng Advantest R3765CG – Network analyzer 300 KHz – 3,8 GHz Nguyễn Thị Huyền 2
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz 5. KẾT CẤU LUẬN VĂN Nội dung luận văn bao gồm ba chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về truyền năng lƣợng không dây Chƣơng 2: L thuyết chung về kỹ thuật siêu cao tần Chƣơng 3: Chế tạo bộ khuếch đại 45W và lựa chọn giải pháp truyền năng lƣợng không dây Nguyễn Thị Huyền 3
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY Truyền năng lƣợng không dây hay truyền công suất không dây WPT (Wireless Power Transmission) là quá trình truyền năng lƣợng cao từ một điểm đến một điểm nào đó không cần dây dẫn. Truyền năng lƣợng không dây, về cơ bản khác với truyền thông tin không dây trong viễn thông (nhƣ radio, TV, Rada, Mobilphone), ở đó thông tin đƣợc biến điệu truyền đi mọi hƣớng, tín hiệu có trong một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở đầu thu thƣờng rất nhỏ (cỡ nW đến µW)… còn trong lĩnh vực truyền năng lƣợng không dây thì độ lớn và hiệu suất truyền năng lƣợng là quan trọng nhất, năng lƣợng chỉ truyền theo một chiều xác định. Phần lớn các hệ thống truyền năng lƣợng không dây trƣờng gần dựa trên nguyên l cảm ứng từ và cảm ứng điện từ. Về sau công nghệ truyền năng lƣợng không dây trƣờng xa đƣợc thực hiện bằng nguyên l phóng chùm tia công suất (powerbeam) ở dạng tia vi ba hay tia laser để truyền công suất lớn (cỡ KW, MW thậm chí thiết kế đến cỡ GW) từ vũ trụ về bề mặt trái đất. 1.1 LỊCH SỬ TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY Về mặt lịch sử truyền năng lƣợng không dây đƣợc nghiên cứu triển khai rất sớm, cách đây khoảng 150 năm, bắt đầu từ các khái niệm và tƣởng về truyền năng lƣợng mà không cần dùng đƣờng dây tải điện cao thế do Nicolai Tesla khởi xƣớng. Tuy nhiên từ đó đến nay kết quả l thuyết và thực nghiệm về truyền công suất không dây đã không tiến bộ nhiều so với công nghệ truyền thông tin do thiếu mô hình l thuyết và công nghệ mới phù hợp. Nikola Tesla là ngƣời phát minh ra radio, ông đƣợc coi là cha đẻ của truyền dẫn không dây. Ông là một trong những ngƣời đầu tiên đƣa ra ý tƣởng truyền năng lƣợng không dây và ông đã chứng minh cũng nhƣ rất tin tƣởng vào việc truyền năng lƣợng điện không dây từ rất sớm vào năm 1891. Năm 1893 Nikola Tesla đã biểu diễn sự thắp sáng không dây cho các bóng đèn huỳnh quang tại triển lãm Chicago. Tháp Nguyễn Thị Huyền 4
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz Wardenclyffe đƣợc ông thiết kế chủ yếu cho việc truyền năng lƣợng điện không dây hơn là truyền điện tín. Năm 1900 với việc triển khai truyền năng lƣợng không dây qua các tháp cao ở New York, làm sáng một số bóng đèn huỳnh quang ở khoảng cách 26 hải l (cỡ 40 km), N.Tesla đã thu đƣợc một số kết quả đáng khích lệ trong lĩnh vực truyền không dây. Một số nhà nghiên cứu sau đó đã triển khai nhiều nghiên cứu thí nghiệm về truyền năng không dây trƣờng gần dùng để nạp điện cho một số thiết bị nhƣ máy điện, ôtô, xe điện, máy tính, điện thoại di động... Hình 1.1 Tháp Wardenclyffe do Nikola Tesla xây dựng [9] Năm 1961 Brown đã đăng bài báo đầu tiên đề xuất việc truyền năng lƣợng bằng sóng vi ba và năm 1964 ông đã trình diễn mô hình máy bay trực thăng thu năng lƣợng từ chùm tia vi ba để bay ở tần số 2,45GHz trong dải tần dành cho các ứng dụng về công nghiệp, nghiên cứu khoa học và y tế, chúng ta gọi là băng tần ISM (Industry, Science and Medical). Nguyễn Thị Huyền 5
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz Năm 1973 Glaser Peter đã xây dựng mô hình hệ truyền năng lƣợng không dây bằng chùm tia Vi ba nhƣ hình vẽ dƣới: Hình 1.2 Hình trong patent gốc về phương pháp truyền năng lượng không dây từ vũ trụ về mặt đất của Peter Glaser (1973) a); nguyên lý mô hình hệ truyền năng lượng không dây bằng chùm tia i ba b c); v hệ thống rectena thu chùm tia i ba trên mặt đất chuyển sang dạng điện năng d) Sau patent của Glaser Peter dùng chùm tia vi ba hay laser công suất cao để truyền công suất từ quỹ đạo GEO, MEO hay LEO trên vũ trụ về mặt đất. Từ đó đến nay đã có hàng chục dự án lớn ở Mỹ, Nhật, châu Âu, Trung quốc, Ấn Độ đƣợc triển khai với đầu tƣ hàng chục tỷ USD và đã thu đƣợc nhiều kết quả tốt. Việc thử nghiệm truyền không dây với công suất vài chục kW đã đƣợc thực hiện năm 1975 tại Goldstone ở California và năm 1997 ở Grand Bassin trên đảo Reunion.[1], [4]. Năm 2001, công ty Splashpower ở Anh đã sử dụng các cuộn dây cộng Hƣởng trong một mặt phẳng để truyền hàng chục Watt vào các thiết bị khác nhau bao gồm cả đèn chiếu sáng, điện thoại di động, iPod, .... Năm 2004 phƣơng thức truyền công suất cảm ứng đã đƣợc sử dụng khá rộng rãi cho nhiều công đoạn khác nhau, doanh thu cho nạp điện không dây đạt khoảng 1 tỷ USD đối với các lĩnh vực bán dẫn, LCD và chế tạo màn hình plasma. Sau các nghiên cứu l thuyết tƣờng minh hơn và nhất là sau các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu tại Nguyễn Thị Huyền 6
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz MIT, vấn đề này mới đƣợc nghiên cứu mạnh mẽ, nhiều công ty lớn nhƣ Samsung, Intel đã nhanh chóng đầu tƣ và đạt đƣợc rất nhiều kết quả ấn tƣợng. Năm 2007 một nhóm nghiên cứu do giáo sƣ Marin Soljacic ở MIT đã truyền năng lƣợng không dây để thắp sáng một đèn điện 60W với hiệu suất 40% với khoảng cách 2m, sử dụng hai cuộn dây có đƣờng kính 60 cm, nhóm đã phát triển lý thuyết truyền năng lƣợng không dây tƣờng minh hơn. Năm 2008 Intel đã lặp lại các thí nghiệm của Tesla trong năm 1894 và của giáo sƣ John Boys trong năm 1988 bằng cách cấp điện không dây cho một bóng đèn ở cự ly gần với hiệu suất đạt 75%. Năm 2010 tập đoàn Haier biểu diễn TV với màn hình LCD hoàn toàn không dây đầu tiên trên thế giới tại hội chợ CES 2010 trên cơ sở các nghiên cứu của nhóm của giáo sƣ Marin Soljacic ở MIT về WPT và giao diện số không dây trong nhà.[4]. 1.2 KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC ĐIỂM VỀ TRƢỜNG GẦN VÀ TRƢỜNG XA 1.2.1 Khái niệm Sóng điện từ do antenna phát ra có thể phân chia ra một số vùng miền khác nhau phụ thuộc cấu trúc antenna, tần số công suất của sóng và sự tƣơng tác của chúng với không gian truyền dẫn. Thƣờng ngƣời ta chia làm ba vùng đó là: trƣờng gần và trƣờng xa, giữa chúng là vùng chuyển tiếp. Sóng điện từ phát ra từ antenna thể hiện đặc tính nổi trội rất khác nhau trong mỗi vùng từ vị trí antenna phát sóng. Sự phân chia ra các vùng là dựa trên bản chất của trƣờng điện từ là hàm của khoảng cách từ nguồn phát. Biên các vùng thƣờng đƣợc đo bằng hàm của bƣớc sóng. Ngoài ra, đặc tính của trƣờng điện từ thay đổi ngay trong từng vùng và phụ thuộc vào cấu trúc của từng loại antenna sử dụng để truyền sóng. Nguyễn Thị Huyền 7
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz Hình 1.3 Sự phân chia các vùng trường gần trường xa, vùng chuyển tiếp theo bước sóng Hình 1.3 biểu thị một số miền truyền sóng của một antenna đặc trƣng theo quan điểm đặc tính sóng và theo tỷ lệ kích thƣớc giữa antenna và bƣớc sóng. Nhƣ vậy từ hình vẽ ta thấy, miền trƣờng gần có hai miền là miền không phát xạ và miền mang đặc tính phát xạ. Độ lớn miền trƣờng gần cỡ một bƣớc sóng. Miền trƣờng trung cũng có khoảng cách một bƣớc sóng. Sau đó là miền trƣờng xa, sóng điện từ ở đây truyền tự do trong không gian, sóng có thể phân cực hay không phân cực phụ thuộc vào đặc tính môi trƣờng và tƣơng tác giữa E và H.[4]. 1.2.2 Một số đặc tính truyền sóng trong miền trƣờng gần và trƣờng xa Sóng điện từ bao gồm thành phần điện trƣờng E và từ trƣờng H, tùy theo đặc tính môi trƣờng chúng có thể mang theo một số đặc tính nhƣ: suy hao, tán sắc, phân cực…  Trong miền trƣờng gần Mối quan hệ giữa E và H rất phức tạp, sóng có thể phân cực đồng thời theo nhiều cách tại cùng một vị trí không gian. Trƣờng điện từ trong miền trƣờng gần đều là hàm của bƣớc sóng hoặc khoảng cách. Nguyễn Thị Huyền 8
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz  Miền trƣờng gần tƣơng tác hoặc không phát xạ Trong miền này mối quan hệ giữa E và H rất phức tạp, từng thành phần (E và H) có thể nổi trội trong từng mỗi điểm, các mối tƣơng quan trái chiều cũng có thể xảy ra trong vùng trƣờng gần. Do vậy rất khó hoặc có thể không thể xác định chính xác mật độ bức xạ , khi tính bức xạ không những cần biết độ lớn của E, H mà còn cần biết pha của chúng. Trong miền này, trƣờng điện từ không chỉ có xu hƣớng truyền phát hƣớng ra phía vùng trƣờng xa phía bên ngoài, mà còn có thành phần phản ứng đối với sóng điện từ , nghĩa là bản chất của trƣờng bao quanh antenna có tính chất rất nhạy cảm ứng và có tƣơng tác. Sóng cũng bị hấp thụ nhiều trong miền này. Ở gần antenna, một phần năng lƣợng có thể truyền qua - lại và lƣu trữ tại miền gần bề mặt antenna. Phần năng lƣợng này đƣợc truyền qua lại từ bề mặt antenna tới vùng trƣờng gần phản ứng bởi bức xạ điện từ với các hiệu ứng tĩnh từ và tĩnh điện biến đổi một cách rất chậm. Do có một phần năng lƣợng lƣu trú và dịch chuyển qua lại và nếu nhƣ một trong hai hiệu ứng từ và cảm ứng tĩnh điện trong miền trƣờng gần phản ứng truyền đƣợc năng lƣợng cho các điện tử trong vật dẫn của antenna thì năng lƣợng này sẽ bị suy hao mất mát.  Miền trƣờng phát xạ Trong miền này không chứa các thành phần trƣờng phản ứng từ nguồn antenna, vì có khoảng cách hơi xa tính từ bề mặt antenna, do vậy sự liên kết ngƣợc của các thành phần trƣờng khác nhau bị hạn chế và do vậy sự lƣu trữ một phần năng lƣợng biến đổi qua lại giữa các hiệu ứng cảm ứng từ và cảm ứng điện dung bị hạn chế. Năng lƣợng trong miền trƣờng gần phát xạ hoàn toàn là năng lƣợng phát xạ mặc dầu đặc tính của điện trƣờng E và từ trƣờng H vẫn rất khác so với miền trƣờng xa  Trong miền trƣờng xa Mối quan hệ giữa E và H mang đặc tính sóng phân cực (phân cực thẳng đứng, ngang, tròn, ellips) truyền tự do, ở đó E và H luôn đi cùng nhau, tại mọi thời điểm trong không gian. Trong miền trƣờng xa, phân bố của trƣờng cùng với góc pha nào Nguyễn Thị Huyền 9
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz đó về cơ bản là không phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn antenna phát cũng nhƣ không phụ thuộc vào cấu trúc antenna. Trở kháng của sóng truyền trong vùng trƣờng xa là tỷ số độ lớn của điện trƣờng lên trên trƣờng, trong trƣờng xa chúng có pha giống nhau. Do vậy trở kháng trong trƣờng xa đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Z0 = µ0C0 1.3 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY Ở TRƢỜNG GẦN VÀ TRƢỜNG TRUNG Kỹ thuật truyền năng lƣợng không dây ở trƣờng gần chỉ đạt một khoảng cách có thể so sánh với hoặc hơn một lần so với đƣờng kính của antenna phát (nguồn) phát, và có thể lên tới khoảng cách ¼ đến ½ bƣớc sóng. Năng lƣợng trƣờng gần có đặc tính là không bức xạ, có một số mất mát bức xạ thƣờng xảy ra. Ngoài ra các mất mát trên điện trở môi trƣờng cũng thƣờng xuyên xuất hiện. Truyền trƣờng gần còn sử dụng nguyên lý cảm ứng từ, tuy nhiên cũng có khả năng sử dụng cảm ứng điện dung để truyền năng lƣợng.[4]. 1.3.1 Phƣơng pháp liên kết cảm ứng từ Truyền năng lƣợng thực hiện bởi liên kết cảm ứng từ đó chính là cảm ứng tƣơng hỗ từ trong một biến thế điện. Đây là một ví dụ đơn giản nhất về truyền năng lƣợng không dây đƣợc dùng sớm nhất. Ở đây các mạch điện sơ cấp và thứ cấp không trực tiếp nối với nhau. Nhƣợc điểm chính của cách này là khoảng cách truyền rất ngắn. Hai cuộc dây sơ cấp và thứ cấp ở sất ngay bên nhau, hoặc lồng vào nhau. Cảm ứng tƣơng hỗ sẽ xuất hiện khi có sự thay đổi của dòng điện trong một cuộn dây, khi đó sẽ có điện thế cảm ứng trong cuộn dây bên cạnh. Nhƣng nó cũng gây ra sự cảm ứng không mong muốn giữa các cuộn dây dẫn trong một mạch điện. Hệ số cảm ứng M có giá trị 1 và 0, nó có giá trị đƣợc tính bằng công thức sau: M = k L1 L2 Nguyễn Thị Huyền 10
Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz Ở đó k là hệ số cảm hỗ với 0 ≤ k ≤ 1, L1 là độ cảm của cuộn dây sơ cấp và L2 là độ cảm của cuộn dây thứ cấp Hình 1.4 Sơ đồ tương đương của một biến thế năng lượng được truyền không dây theo nguyên lý cảm ứng khi hai cuộn dây ở sát nhau nhưng không tiếp xúc trực tiếp 1.3.2 Truyền năng lƣợng bằng phƣơng pháp cảm ứng điện từ.  Truyền năng lượng theo nguyên lý cảm ứng từ cộng hưởng Hiện tƣợng cộng hƣởng điện có thể xẩy ra trong mạch điện LC tại một tần số cộng hƣởng khi mạch điện thỏa mãn một số điều kiện xác định. Hiện tƣợng cộng hƣởng này thƣờng xuyên xẩy ra khi trở kháng giữa lối vào và lối ra gần bằng giá trị 0 và hàm truyền đạt cực đại, có giá trị bằng 1. Tại tần số cộng hƣởng, các mạch điện sẽ phát tiếng kêu rung rú, và thƣờng phát sinh ra thế hiệu lớn hơn thế hiệu cùng cấp ở lối vào vào. Hiện tƣợng này đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền năng lƣợng không dây. Trong mạch điện chứa thành phần L và C, khi đặt một thế hiệu vào mạch điện thì sẽ có một trƣờng điện từ sinh ra trong cuộn cảm L, trƣờng này làm phát sinh dòng điện, dòng điện này sẽ nạp điện tích vào hai má của tụ điện, khi đầy điện tích sẽ có quá trình phóng điện tạo ra dòng điện, dòng điện này lại tạo ra từ trƣờng trong cuộn cảm, quá trình này cứ lặp đi lặp lại. Trong một số trƣờng hợp cộng hƣởng xẩy ra khi giá trị cảm kháng bằng giá trị dung kháng và năng lƣợng điện dao động giữa từ trƣờng Nguyễn Thị Huyền 11