Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ nạp điện không dây cho điện thoại di động

Chia sẻ: Yi Yi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:69

Thêm vào BST

Báo xấu

52
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài hướng đến việc xây dựng một mô hình hệ thống truyền năng lượng dùng sóng siêu cao tần ở khoảng cách gần dùng cho những ứng dụng truyền điện nhỏ và đơn giản. Để từ đó phát triển thành nghiên cứu những hệ thống truyền năng lượng với công suất lớn hơn và với khoảng cách xa hơn ứng dụng truyền tải điện không dây cho công nghiệp và cho vũ trụ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ nạp điện không dây cho điện thoại di động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG VĂN TỚI NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ NẠP ĐIỆN KHÔNG DÂY CHO ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI-2019
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỒNG VĂN TỚI NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ NẠP ĐIỆN KHÔNG DÂY CHO ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử ,Truyền Thông Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 8510302.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Người hướng dẫn khoa học : GS.TS Bạch Gia Dương HÀ NỘI-2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng dẫn của GS.TS Bạch Gia Dương. Các số liệu của luận văn là chân thực dựa trên những mô hình, kết quả đã đạt được trên thế giới và học hỏi rèn luyện của bản thân chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước khi trình bày bảo vệ trước “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ” Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Người cam đoan Đồng Văn Tới 1
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, trước hết tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Bạch Gia Dương, thầy đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo, hướng dẫn và giúp tôi có những kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu, làm luận văn tại Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, Đại học Công Nghệ. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông, các thầy cô trong trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội, các thầy cô đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập. Xin cảm ơn các thầy cô, các anh chị ở Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông đã tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và làm luận văn. Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp này. Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng vì thời gian có hạn và vốn kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình viết bài không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp của quý thầy cô và các bạn để bài luận văn được hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 2
MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ..............................................................................................................9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN ........................................................................................................................... 10 1.1. Truyền năng lượng không dây ...................................................................... 10 1.1.1. Lịch sử hệ thống truyền năng lượng không dây[5] ................................ 10 1.1.2. Đặc điểm chung của hệ thống ................................................................. 11 1.1.3. Mô hình hệ thống truyền năng lượng không dây ................................... 11 1.2. Tổng hợp các nghiên cứu phần phát của WPT[12]. ..................................... 12 1.3. Tìm hiểu Anten mảng vi dải nhiều phần tử[2] .............................................. 13 1.4. Tổng hợp các nghiên cứu về Rectenna[9]..................................................... 14 1.4.1. Rectenna.................................................................................................. 14 1.4.2. Các nghiên cứu về rectenna .................................................................... 14 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN.............. 15 2.1. Cơ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần ................................................................. 15 2.1.1. Giới thiệu chung[4] ..................................................................................... 15 2.1.2. Các tham số cơ bản ..................................................................................... 16 2.2. Giản đồ Smith .................................................................................................... 21 2.3. Kỹ thuật phối hợp trở kháng .............................................................................. 28 2.3.1. Khái quát chung. ......................................................................................... 28 2.3.2. Phối hợp trở kháng dùng phần từ tập trung. ............................................... 28 2.3.3. Phối hợp trở kháng dùng dây chêm ............................................................ 31 2.3.4. Phối hợp trở kháng dùng đoạn một phần tư bước sóng λ/4. ....................... 31 2.4. Anten mảng vi dải nhiều phần tử[2]. ................................................................. 33 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỐI PHÁT-THU CỦA BỘ NẠP ĐIỆN KHÔNG DÂY CHO ĐIỆN THOẠI ..................................................... 36 3.1. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại đệm dùng chip SHF-0189 ........... 36 3.1.1. Chip cao tần SHF-0189[10] ........................................................................ 36 3.1.2. Phối hợp trở kháng cho chip SHF-0189 ..................................................... 38 3
3.1.3. Chế tạo. ....................................................................................................... 43 3.1.4. Đo đạc kết quả và nhận xét ......................................................................... 43 3.2. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ khuếch đại công suất dùng chip SHF-0589. ................................................................................................................................... 45 3.2.1. Chip cao tần SHF-0589[11] ........................................................................ 45 3.2.2. Phối hợp trở kháng cho chip SHF-0589 ..................................................... 47 3.2.3. Chế tạo ........................................................................................................ 52 3.2.4. Đo đạc kết quả ............................................................................................ 53 3.3. Thực hiện ghép nối bộ khuếch đại đệm và bộ khuếch đại công suất ................ 54 3.4. Thiết kế anten mảng vi dải ................................................................................. 56 3.4.1. Yêu cầu thiết kế .......................................................................................... 56 3.4.3. Mô phỏng anten. ......................................................................................... 57 3.4.4. Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 57 3.4.5. Chế tạo và đo đạc anten. ............................................................................. 59 3.5. Nghiên cứu, thiết kế mạch chỉnh lưu Rectenna ................................................. 61 3.5.1. Mạch nhân áp phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây chêm đơn hở mạch. ............................................................................................................................... 61 3.6. Thử nghiệm truyền năng lượng không dây........................................................ 63 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 66 4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ADS Advanced Design System IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử Electronics Engineers LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng MIT Massachusetts Institute of Viện công nghệ Massachusetts Technology SPS Solar Power Satellite Vệ tinh thu năng lượng mặt trời VSWR Voltage Standing Wave Ratio Hệ số sóng đứng điện áp WPT Wireless Power Transmission Truyền năng lượng không dây RF Radio Frequency Tần số vô tuyến DC Direct Current Dòng điện một chiều 5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1: Băng tần sóng cao tần theo IEEE. ................................................................... 15 Bảng 2: Yêu cầu thiết kế anten mảng vi dải nhiều phần tử .......................................... 56 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mô hình hệ thống truyền năng lượng không dây ......................................... 11 Hình 1.2: Anten mảng vi dải nhiều phần tử....................................................................5 Hình 2.1: Đường truyền sóng (a) và mạch tương đương (b). ...................................... 16 Hình 2.2: Sóng truyền trên đường truyền. .................................................................... 17 Hình 2.3: Sóng đứng điện áp trên đường truyền không hao tổn có mắc tải đầu cuối. 19 Hình 2.4: Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường truyền không hao tổn có mắc tải đầu cuối. ................................................................................................ 19 Hình 2.5: Các vòng tròn đẳng r trong mặt phẳng phức Γ. ........................................... 22 Hình 2.6: Các vòng tròn đẳng x trong mặt phẳng phức Γ. .......................................... 23 Hình 2.7: Các vòng tròn đẳng |Γ| và đẳng S trong mặt phẳng phức Γ. ....................... 24 Hình 2.8: Giản đồ Smith. .............................................................................................. 26 Hình 2.9: Mạch phối hợp trở kháng không tổn hao giữa trở kháng tải bất kỳ và đường truyền dẫn sóng. ............................................................................................................ 28 Hình 2.10: Mạch phối hợp trở kháng hình L. ............................................................... 29 Hình 2.11: Các sơ đồ phối hợp trở kháng kiểu L.......................................................... 30 Hình 2.12: Phối hợp trở kháng dùng đoạn một phần tư bước sóng (l = λ/4). .............. 32 Hình 2.13: Cấu tạo một anten mạch dải ...................................................................... 26 Hình 2.14: Ví dụ về anten mảng vi dải 4 phần tử. ........................................................ 34 Hình 3.1: Sơ đồ và chức năng từng chân của chip SHF-0189. .................................... 36 Hình 3.2: Bảng tham số S_Parameter của chip SHF-0189.......................................... 30 Hình 3.3:. Biểu đồ Smith của chip SHF-0189. .............................................................. 37 Hình 3.4: Sơ đồ cơ bản của bộ khuếch đại. .................................................................. 38 Hình 3.5: Mô tả mạch phối hợp trở kháng lối vào bằng đồ thị Smith. ......................... 38 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối vào. ..................... 39 Hình 3.7: Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối vào tại tần số 2.45GHz. ... 39 Hình 3.8: Mô tả mạch phối hợp trở kháng lối ra bằng đồ thị Smith. ........................... 40 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối ra. ....................... 40 Hình 3.10: Kết quả mô phỏng và biểu diễn trên đồ thị Smith của mạch phối hợp trở kháng lối ra tại tần số 2.45GHz. ................................................................................... 41 Hình 3.11: Sơ đồ mô phỏng dùng file .S2P của bộ khuếch đại. ................................... 41 Hình 3.12: Kết quả mô phỏng của bộ khuếch đại. ........................................................ 42 Hình 3.13: Layout của mạch khuếch đại dùng chip SHF-0189. ................................... 42 Hình 3.14: Sản phẩm thực tế bộ khuếch đại. ................................................................ 43 Hình 3.15: Kết nối bộ khuếch đại với máy đo............................................................... 37 Hình 3.16: Kết quả tham số S21 trên máy phân tích mạng ............................................ 46 Hình 3.17: Kết quả đo tham số S11 trên máy phân tích mạng. .................................... 46 Hình 3.18: Sơ đồ và chức năng từng chân của Chip SHF-0589. ................................. 47 Hình 3.19: Bảng tham số S của chip SHF-0589. ......................................................... 48 7
Hình 3.20: Biểu đồ Smith của chip SHF-0589.............................................................. 48 Hình 3.21: Mô tả mạch phối hợp trở kháng lối vào bằng đồ thị Smith. ....................... 47 Hình 3.22: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối vào. ................... 50 Hình 3.23: Kết qủa mô phỏng và biểu diễn trên đồ thị Smith của kết quả tại tần số 2.45GHz. ....................................................................................................................... 50 Hình 3.24: Mô tả mạch phối hợp trở kháng lối ra bằng đồ thị Smith. ......................... 51 Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối ra. ..................... 51 Hình 3.26: Kết qủa mô phỏng và biểu diễn trên đồ thị Smith của kết quả tại tần số 2.45GHz. ....................................................................................................................... 50 Hình 3.27: Sơ đồ mô phỏng dùng file .S2P của bộ khuếch đại công suất. ................... 50 Hình 3.28: Kết quả mô phỏng của bộ khuếch đại. ........................................................ 51 Hình 3.29: Layout của mạch khuếch đại công suất dùng chip SHF-0589. .................. 51 Hình 3.30: Sản phẩm thực tế bộ khuếch đại công suất. ................................................ 52 Hình 3.31: Kết nối bộ khuếch đại công suất với máy đo. ............................................. 52 Hình 3.32: Kết quả đo tham số S21 trên máy phân tích mạng. .................................... 53 Hình 3.33: Kết quả đo tham số S11 trên máy phân tích mạng. .................................... 53 Hình 3.34: Mô đun khuếch đại 2W hoạt động ở tần số 2.45GHz. ................................ 54 Hình 3.35: Thực hiện đo kiểm Mô đun khuếch đại với máy phân tích phổ. ................. 55 Hình 3.36: Kết quả đo Mô đun khuếch đại công suất trên máy phan tích phổ. ........... 55 Hình 3.37: Mô phỏng Anten mảng vi dải 8 phần tử trên phần mềm CST. ................... 57 Hình 3.38: Kết quả mô phỏng tham số S11 của Antenna. ............................................ 58 Hình 3.39: Giản đồ bức xạ và đồ thị biểu diễn độ lợi (Gain)và hướng tính của anten. ....................................................................................................................................... 59 Hình 3.40: Sản phẩm thực tế anten mảng vi dải 8 phần tử. ......................................... 60 Hình 3.41: Đo đạc Anten mang vi dải với máy phân tích mạng. .................................. 60 Hình 3.42: Kết quả đo tham số S11 trên máy phân tích mạng. .................................... 61 Hình 3.43: Sơ đồ nguyên lý mạch nhân áp phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây chêm đơn hở mạch. ....................................................................................................... 62 Hình 3.44: Kết quả mô phỏng mạch nhân áp phối hợp trở kháng tại tần số 2.45GHz. 62 Hình 3.45: Thiết kế layout mạch nhân điện áp có phối hợp trở kháng. ....................... 63 Hình 3.46: Sản phẩm thực tế mạch nhân điện áp có phối hợp trở kháng. ................... 63 Hình 3.47: Mô hình thử nghiệm truyền năng lượng không dây.................................... 64 8
LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, các nguồn tài nguyên hóa thạch đang dần cạn kiệt và lâu dài không thể đảm bảo về an ninh năng lượng. Con người đang hướng tới khai thác và sử dụng ngày càng nhiều các nguồn năng lượng sạch và tái tạo khác như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sóng biển v.v. Đặc biệt năng lượng Mặt Trời đang được khai thác ngày càng nhiều. Việc khai thác này chủ yếu thực hiện trên bề mặt trái đất dẫn đến hiệu quả chưa cao, dễ gây ô nhiễm môi trường và bị ảnh hưởng bởi hiện tượng ngày và đêm. Vì vậy, từ những năm 1970, người ta đã đề xuất việc xây dựng một hệ thống vệ tinh thu năng lượng mặt trời trong vũ trụ rồi truyền về Trái Đất, giải pháp này đã nhận được nhiều tổ chức chính phủ và các tập đoàn lớn như NASA đầu tư. Giai đoạn này tập trung chủ yếu phát triển công nghệ truyền không dây dùng sóng điện từ phát xạ để truyển năng lượng điện không dây với khoảng cách truyền xa có thể tới vài trăm ki-lô-mét. Cho đến ngày nay, công nghệ này vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ để ứng dụng vào công nghiệp cũng như cuộc sống thường ngày. Trong tương lai, các hệ thống robot hay xe tự lái sẽ tự động hóa hoàn toàn khi việc sạc năng lượng dễ dàng được tự động hóa. Các thiết bị điện trong gia đình sẽ không còn cần phải cắm điện nữa, các thiết bị di động cầm tay sẽ không còn phải quá nặng do pin và cũng không cần phải sạc pin mỗi ngày khi mà nó sẽ được cấp điện trực tiếp hoặc sạc ngay cả khi đang sử dụng trên tay người dùng. Với tên đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ nạp điện không dây cho điện thoại di động” tôi muốn hướng đến việc xây dựng một mô hình hệ thống truyền năng lượng dùng sóng siêu cao tần ở khoảng cách gần dùng cho những ứng dụng truyền điện nhỏ và đơn giản. Để từ đó phát triển thành nghiên cứu những hệ thống truyền năng lượng với công suất lớn hơn và với khoảng cách xa hơn ứng dụng truyền tải điện không dây cho công nghiệp và cho vũ trụ. Bằng lý thuyết và thực nghiệm, luận văn đã thực hiện những nội dung sau: + Tìm hiểu hệ thống truyền năng lượng không dây dùng sóng siêu cao tần, cấu trúc hệ thống thu – phát năng lượng không dây. + Tìm hiểu về lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật phối hợp trở kháng, lý thuyết anten mảng vi dải nhiều phần tử. + Chế tạo mô đun khuếch đại công suất hoạt động ở tần số 2.45GHz với hệ số khuếch đại trên 10 dB. + Chế tạo anten mảng vi dải nhiều phần tử dùng cho hệ thống phát – thu. + Tìm hiểu lý thuyết, mô phỏng và chế tạo mạch chỉnh lưu chuyển đổi RF-DC hoạt động ở tần số 2.45GHz. + Đánh giá kết quả đã đạt được và kết luận. 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN 1.1. Truyền năng lượng không dây Định nghĩa: Truyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây WPT(Wireless Power Transmitter) là quá trình truyền năng lượng trong một dạng nào đó xảy ra trong một môi trường xác định, ở đó năng lượng được truyền dẫn theo một hướng từ một nguồn năng lượng đến một tải tiêu thụ mà không cần dây dẫn[1]. Truyền năng lượng không dây khác với truyền thông tin không dây trong viễn thông (như Radio, TV, Radar,…) ở đó thông tin ở phía máy phát tuy có lớn (cỡ W,kW) nhưng được truyền đi mọi hướng, tín hiệu có thể được nằm trong một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở phía thu thường rất nhỏ (cỡ vài nW đến vài μW) sau đó được mô đun thu xử lý khuếch đại để phục hồi lại thông tin ban đầu. Còn trong lĩnh vựa truyền năng lượng không dây thì truyền có định hướng, mật độ năng lượng và hiệu suất truyền năng lượng là quan trọng nhất, ở đây tín hiệu mang năng lượng thường chỉ tồn tại ở một tần số. 1.1.1. Lịch sử hệ thống truyền năng lượng không dây[5] - Năm 1891, Nikola Tesla là một trong những người đầu tiên đưa ra ý tưởng truyền năng lượng không dây và ông đã chứng minh ý tưởng của mình bằng việc thắp sáng không dây cho các bóng đèn huỳnh quang tại triển lãm Chicago vào năm 1893. - Năm 1961, Brown đã đăng bài báo đầu tiên đề xuất việc truyền năng lượng bằng vi ba. Năm 1964, ông đã trình diễn mô hình máy bay trực thăng thu năng lượng từ chùm tia vi ba để bay ở tần số 2.45GHz. - Năm 2001, công ty Splashpower ở Anh đã sử dụng các cuộn dây cộng hưởng trong một mặt phẳng để truyền hàng chục Watt vào các thiết bị khác nhau bao gồm đèn chiếu sáng, thiết bị di động,… - Năm 2004, phương thức truyền công suất cảm ứng đã được sử dụng rộng rãi, doanh thu đạt 1 tỷ USD đối với các lĩnh vực bán dẫn, LCD và chế tạo màn hình Plasma. - Năm 2007, nhóm của giáo sư Marin Soljacic ở MIT đã truyền năng lượng không dây để thắp sáng một đèn điện 60W với hiệu suất 40% ở khoảng cách 2 mét. - Năm 2008, Intel đã lặp lại các thí nghiệm của Tesla trong năm 1894 và của giáo sư John Boys trong năm 1988 bằng cách cấp điện không dây cho một bóng đèn ở cự ly gần với hiệu suất 75%. 10
- Năm 2010, tập đoàn Haier biểu diễn TV màn hình LCD hoàn toàn không dây đầu tiên trên thế giới tại hội trợ CES 2010. - Tháng 3/2015, các nhà khoa học Nhật Bản đã thử nghiệm dùng sóng vi ba công suất 1.8kW, đủ để chạy một ấm đun nước điện qua không khí tới mục tiêu chỉ định ở khoảng cách 55 mét. 1.1.2. Đặc điểm chung của hệ thống - Truyền năng lượng không dây có thể được phân chia thành hai loại chính: o Truyền năng lượng không dây dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện từ hay cảm ứng từ. Phương pháp này được ứng dụng phổ biến trong các ứng dụng truyền tải năng lượng tiệm cận không tiếp xúc. o Truyền năng lượng không dây dựa trên hiệu ứng sóng điện từ. Năng lượng được truyền đi theo các chùm tia năng lượng có mật độ công suất lớn hay còn được gọi là chùm tia công suất cao (high power beam). Chùm tia này di chuyển trong không gian theo hiện tượng sóng điện từ. Tùy vào các ứng dụng cụ thể, khoảng cách truyền có thể thay đổi từ vài mét đến vài chục hay hàng nghìn km. 1.1.3. Mô hình hệ thống truyền năng lượng không dây Hình 1.1: Mô hình hệ thống truyền năng lượng không dây. - Đầu tiên, ở bên phát, năng lượng điện được chuyển hóa thành sóng vi ba thông qua bộ tạo dao động, qua các tầng khuếch đại rồi đưa đến anten để truyền đi. - Ở nơi nhận, sóng vi ba được thu bởi anten rồi qua bộ lọc phối hợp trở kháng lấy tín hiệu có ích, tín hiệu này được đưa đến bộ chỉnh lưu để chuyển hóa từ năng lượng sóng vi ba thành năng lượng một chiều, năng lượng này chính là năng lượng dùng cho các thiết bị dân dụng thông thường. Anten thu bao gồm 11
cả nhận sóng vi ba và chỉnh lưu gọi là Rectenna. Rectenna nhận sóng vi ba chuyển đổi thành năng lượng điện và sau đó hòa vào mạng lưới. - Với nguyên lý hoạt động như vậy, hệ thống truyền năng lượng không dây có thể được ứng dụng cho hệ thống truyền năng lượng từ vệ tinh với khoảng cách hàng chục nghìn mét. Các tấm pin mặt trời ngoài không gian lấy năng lượng mặt trời rồi chuyển đổi thành điện năng, năng lượng điện năng sẽ được chuyển hóa thành năng lượng sóng siêu cao tần truyền về Trái Đất. Trên mặt đất, các trạm thu nhận sóng siêu cao tần rồi chuyển hóa năng lượng của chúng thành năng lượng điện một chiều dùng cho các ứng dụng sinh hoạt hang ngày. 1.2. Tổng hợp các nghiên cứu phần phát của WPT[11]. Bộ phát sóng siêu cao tần công suất lớn trong WPT là thành phần quan trọng nhất. Các bộ phát phải gọn nhẹ nhằm mục đích giảm giá thành và hiệu suất cao để giảm ảnh hưởng về nhiệt. Linh kiện bán dẫn ngày càng nhỏ gọn và nhẹ. Các bộ khuếch đại bán dẫn có thể trở thành nhân tố làm giảm giá thành của hệ thống với nhiều mức yêu cầu về công suất. Điều này thể hiện qua việc công suất của hệ thống được tổ hợp qua các mô đun riêng lẻ. Qua tổng hợp các công trình đã công bố cho thấy các công trình nghiên cứu về bộ phát ứng dụng cho WPT còn ít, trong khi đó các công trình nghiên cứu sử dụng cho hệ thống thông tin đã phát triển nhiều và có nhiều thành công. Tuy nhiên, chúng ta không thể áp dụng hoàn toàn kết quả này cho hệ thống WPT bởi vì những khác biệt cơ bản sau: o Với WPT vấn đề hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng điện một chiều thành sóng siêu cao tần là quan trọng nhất. o Hệ thống WPT đòi hỏi công suất phát lớn, độ định hướng cao dẫn đến phải xây dựng các anten mảng pha. Như vậy, chúng ta cũng cần phải thiết kế mạch khuếch đại có công suất lớn và anten mảng có độ định hướng cao. o Ổn định nhiệt cho hệ thống cũng là một yêu cầu quan trọng được đặt ra khi thiết kế bộ phát cho WPT. Mặt khác, hầu hết các công trình chỉ tập trung vào việc nghiên cứu phần khuếch đại công suất mà chưa đi sâu vào các thành phần khác của tuyến phát như: mạch khuếch đại đệm, mạch khuếch đại công suất, antenna phát cũng như các thành phần của bộ thu như antenna thu, mạch lọc, mạch chỉnh lưu, mạch phối hợp trở kháng. Từ đó, luận văn đề xuất xây dựng các thành phần của tuyến phát-thu năng lượng sóng siêu cao tần cho hệ thống truyền năng lượng không dây ứng dụng cho việc sạc điện thoại di động, cụ thể gồm: thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại đệm, mạch khuếch đại công suất, anten thu – phát, bộ chỉnh lưu. Trong đó, nghiên cứu đề 12
xuất giải pháp phối hợp trở kháng dải rộng, kết hợp việc thay đổi thang trở và dùng phần tử tập trung đặc trưng cho hệ thống khuếch đại công suất dùng cho hệ thống truyền năng lượng không dây cũng như có thể ứng dụng cho hệ thống truyền thông tin hoạt động trong băng tần S. 1.3. Tìm hiểu Anten mảng vi dải nhiều phần tử[2] - Trong các hệ thống thu phát năng lượng không dây sử dụng sóng siêu cao tần, các anten đóng vai trò vô cùng quan trọng trong khía cạnh định hướng năng lượng nên anten ảnh hưởng rất lớn đến hiêu suất thu phát của cả hệ thống. - Vì vậy, với hệ thống WPT, chúng ta phải sử dụng anten mảng vi dải nhiều phần tử để điều chỉnh chính xác chùm tia vi ba. Anten mảng nhiều phần tử là loại anten định hướng, nó có thể điều khiển hướng của chùm tia vi ba. - Anten mảng là một loại anten thuộc loại anten thông minh mới phát triển trong những thập niên gần đây. - Gồm nhiều anten phần tử cùng loại được sắp xếp theo một quy tắc nhất định nhằm mục đích nâng cao độ định hướng của anten. Hình 1.2: Anten mảng vi dải nhiều phần tử. 13
1.4. Tổng hợp các nghiên cứu về Rectenna[8] 1.4.1. Rectenna - Rectenna là một từ ghép của từ Rectifier và từ Antenna. Đây là một thuật ngữ xuất hiện trong nửa cuối thế kỉ 20. Thuật ngữ này mô tả công nghệ sử dụng cho phương pháp truyền năng lượng không dây mà ở đó tại thiết bị thu sử dụng các anten để thu năng lượng tín hiệu sóng điện từ sau đó được chuyển đổi dạng năng lượng từ năng lượng sóng điện từ sang năng lượng dòng điện một chiều DC. 1.4.2. Các nghiên cứu về rectenna - Rectenna công suất lớn cho hệ thống truyền năng lượng không dây khoảng cách gần là chủ đề được rất nhiều nhà khoa học trẻ quan tâm trong những năm gần đây. Có nhiều cách tiếp cận bài toán này: o Sử dụng các bộ lọc LC cho phía phát là cách tiếp cận nâng cao hiệu suất và công suất của hệ thống truyền năng lượng không dây khoảng cách gần. Với phương pháp này tác giả đã đạt được hiệu suất 73% và công xuất đạt 2.5kW. Đây là công bố của tác giả Kazuya và Kan Akatsu trên tạp chí khoa học IEEE 2017 chủ đề Wireless Power Transmitter. o Một số tác giả Ding Binh Lin, His Tseng Chou, Jui-Hung và Yu-Lin Cheng đi theo hướng phân tích các đặc điểm ứng xử của sóng điện từ trong trường gần, từ đó tối ưu thiết kế anten thu và phát để nâng cao hiệu suất truyền năng lượng. Hướng đi này cũng đã đạt được một số kết quả khá khả quan. o Một số các nghiên cứu theo hướng nâng cao hiệu suất phía phát. Tập trung nâng hiệu suất của bóng khuếch đại để làm tang hiệu suất tạo chùm tia năng lượng công suất lớn cho phép truyền năng lượng đi hiệu quả hơn. - Tóm lại, các thiết kế trên để đáp ứng tăng mức công suất truyền tải đều phải yêu cầu tăng kích thước và số lượng các bộ rectenna. Một điểm hạn chế nữa đó chính là sự giới hạn về mức công suất của từng đơn vị rectenna sẽ không thể vượt qua ngưỡng 30dBm mà hiệu suất vẫn đảm bảo cao. 14
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 2.1. Cơ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần 2.1.1. Giới thiệu chung[4] - Sóng siêu cao tần là các sóng vô tuyến bước sóng rất nhỏ được trải dài từ 1mm đến 1m (tần số nằm trong dải từ 300MHz đến 300GHz) - Kỹ thuật siêu cao tần là kỹ thuật thiết kế hệ thống truyền thông trong dải sóng siêu cao tần - Mạch siêu cao tần là một nhóm các thiết bị vật lý bao gồm các ống dẫn sóng, các bộ suy giảm điện áp các bộ xoay pha, bộ trộn, bộ tách sóng,… và vô số các đường nối được sắp xếp hoặc kết nối với nhau để tạo ra hiệu ứng mong muốn của sóng cao tần. - Băng tần là một miền của phổ tần số truyền thông, ở đó các kênh thường được sử dụng hoặc được thiết lập với cùng mục đích. Dưới đây là bảng tổng hợp các bảng tần số cơ bản. Bảng 1: Băng tần sóng cao tần theo IEEE. Băng tần Tần số Tên gọi – Bước sóng Băng HF 3 tới 30 MHz Tần số cao:10-100m Băng 30 tới 300 MHz Tần số rất cao:1-10m VHF Băng 300 tới 1000 MHz Tần số cực cao:0.3-1m UHF Băng L 1 tới 2 GHz Sóng dài:15-30cm Băng S 2 tới 4 GHz Sóng ngắn: 7.5-15cm Băng C 4 tới 8 GHz Dải tần nằm giữa băng S và X: 3.75-7.5cm Băng X 8 tới 12 GHz Sử dụng trong Thế chiến II cho hệ thống điều khiển hỏa lực, X có nghĩa là chữ thập:2.5-3.75cm Băng Ku 12 tới 18 GHz Kurz-under 1.67-2.5cm Băng K 18 tới 27 GHz Kurz:1.11-1.67cm 15
Băng Ka 27 tới 40 GHz Kurz-above :0.75-1.11cm Băng mm 40 tới 300 GHz Dùng cho hoạt động kiểm thử thông tin dùng giữa các vệ tinh trong cụm vệ tinh: 1-7.5mm - Băng S là một phần của băng tần vi ba thuộc phổ điện từ. Nó được định nghĩa theo một tiêu chuẩn của IEEE cho sóng vô tuyến với tần số trong dải 2 tới 4 HGz, tần số 3 GHz là ranh giới giữa UHF và SHF. Băng S được dùng cho radar thời tiết, radar tàu biển, thông tin vệ tinh, truyền năng lượng không dây và đặc biệt được NASA dùng cho lien lạc giữa tàu con thoi và trạm không gian quốc tế. Ở một số nước, băng S được dùng cho truyền hình vệ tinh gia đình, thử nghiệm truyền năng lượng không dây dùng sóng siêu cao tần. 2.1.2. Các tham số cơ bản 2.1.2.1. Đường truyền sóng Đường truyền sóng là đường truyền dẫn sóng điện từ. Một đường truyền sóng thường được mô tả như một hệ gồm hai dây dẫn song song (khi truyền dẫn sóng TEM cần ít nhất 2 vật dẫn ) với một phần tử rất ngắn như trình bày trên Hình 2.1 (a) .Ta có một mạch tương đương biểu diễn bởi 4 phần tử tập trung được mô tả trên Hình 2.1 (b). Hình 2.1: Đường truyền sóng (a) và mạch tương đương (b). Trong đó: + G: Điện dẫn song song trên một đơn vị dài (S/m). + C: Điện dung song song trên một đơn vị dài (F/m). 16
Một dòng điện dọc theo chiều dài dây dẫn sẽ taọ ra một dòng điện trong dây dẫn theo chiều ngược lại đó là thành phần cảm ứng, cũng sẽ có một điện trở hữu hạn nối tiếp trong các dây dẫn. + R: Điện trở nối tiếp (Ω); + L: Điện cảm nối tiếp (H); Áp dụng định luật Kirchhoff ta có phương trình đường truyền: (2.1) (2.2) Lấy đạo hàm các phương trình ta được: (2.3) (2.4) Với với là một số phức. Vậy phương trình truyền sóng của đường truyền là phương trình vi phân tuyến tính. Nghiệm chung của phương trình truyền sóng: (2.5) (2.6) Các hàm V(z) và I(z) mô tả dòng và thế tại mọi vị trí z trên đường truyền. Sóng hay truyền theo phương +z. Sóng hay truyền theo phương –z. Hình 2.2: Sóng truyền trên đường truyền. 17