Thiết kế mạch thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông cho các cảm biến không dây tự chủ năng lượng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết đề xuất một mạch thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông trong môi trường xung quanh. Mạch được đo đạc và thử nghiệm thu hoạch năng lượng ở dải tần số 3.6-3.8 GHz tương ứng với nguồn sóng viễn thông công nghệ 5G trong điều kiện thử nghiệm ở phòng nghiên cứu cho hiệu suất chuyển đổi RFDC cao nhất đạt 50% khi công suất sóng tới là 0 dBm và 39% tại -10 dBm.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế mạch thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông cho các cảm biến không dây tự chủ năng lượng

Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Thiết kế mạch thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông cho các cảm biến không dây tự chủ năng lượng Vũ Hồng Tiến, Lê Minh Thùy* Bộ môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp, Viện Điện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Hà Nội, Việt Nam tien.vh164838@sis.hust.edu.vn; Liên hệ: *thuy.leminh@hust.edu.vn Lời dẫn– Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một mạch suất tới 455 µW/m2. Tuy nhiên các mật độ công suất sóng tới thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông trong môi trong [4-5] lớn hơn rất nhiều so với mật độ sóng viễn thông trường xung quanh. Mạch được đo đạc và thử nghiệm thu tồn tại trong môi trường thực tế. Thiết kế mạch thu hoạch đa hoạch năng lượng ở dải tần số 3.6-3.8 GHz tương ứng với băng tần [6] cho hiệu suất gần 40% cho các băng tần LTE nguồn sóng viễn thông công nghệ 5G trong điều kiện thử 700, GSM 850 và ISM 900 tại công suất sóng tới -10 dBm. nghiệm ở phòng nghiên cứu cho hiệu suất chuyển đổi RF- Mạch chỉnh lưu xử lý sóng hài bậc cao trong [7] giúp nâng DC cao nhất đạt 50% khi công suất sóng tới là 0 dBm và cao hiệu suất lên 11% so với khi không áp dụng kỹ thuật này. 39% tại -10 dBm. Hiệu suất chuyển đổi được nâng cao Các giải pháp này ngoài mục tiêu tối đa hóa năng lượng thu nhờ giải pháp không sử dụng mạch phối hợp trở kháng hoạch được còn đơn giản hóa thiết kế đề xuất để có thể tích nối giữa mạch chỉnh lưu và ăng-ten, nhờ đó kích thước hợp vào các mạch cảm biến không dây tự chủ năng lượng. Dù của mạch cũng được giảm. đã có nhiều thiết kế có hiệu suất chuyển đổi cao lên tới trên 40%, nhưng các thiết kế này chỉ thích hợp cho điều kiện Từ khóa – Thu hoạch năng lượng từ sóng điện từ, ăng-ten, phòng thí nghiệm với công suất tới cao (từ 0 dBm tới 14 dBm) 5G, cảm biến không dây tự chủ năng lượng. [8-9] và không phù hợp với thực tế là công suất tới của các I. GIỚI THIỆU CHUNG nguồn sóng viễn thông chỉ vào khoảng từ -10 dBm tới -30 dBm. Ngoài ra, do công suất tới thấp, việc lựa chọn tải tối ưu Ý tưởng về hệ thống truyền năng lượng không dây đã sao cho điện áp ra từ mạch chỉnh lưu lớn nhưng dòng ra nhỏ được Nikolas Tesla đề xuất trong các phát minh sáng chế từ là nguyên nhân khiến cho thời gian sạc pin lâu. Từ các phân những năm 1900. Tuy nhiên cho tới mười năm trở lại đây, tích nói trên có thể thấy rằng thách thức chính là việc nâng cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, công nghệ vi cao hiệu suất chuyển đổi của mạch thu hoạch năng lượng với cơ điện tử và truyền thông không dây mà hướng nghiên cứu công suất tín hiệu tới thấp tương ứng với điều kiện hoạt động về thu hoạch năng lượng từ sóng điện từ (RF energy thực tế. harvesting) mới trở nên hấp dẫn với các nhà nghiên cứu, các Trong bài báo này, chúng tôi sẽ trình bày một thiết kế kết quả bước đầu mở ra tương lai về một giải pháp cung cấp mạch thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông có trong môi năng lượng sạch và nguồn cung cấp năng lượng lâu dài cho trường sống với công suất tới -10dBm. Mạch đề xuất sử dụng các thiết bị điện tử tiêu thụ công suất thấp cỡ vài mW [1-2] công nghệ mạch vi dải và được chế tạo, đo kiểm trong phòng như các nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây, thay thí nghiệm cho kết quả thu hoạch năng lượng lên tới 39% từ thế cho phương án cấp nguồn truyền thống sử dụng pin vốn nguồn sóng viễn thông 5G trong thực tế. có dung lượng hữu hạn và gây ô nhiễm môi trường [3]. Mặc dù mạch thu hoạch năng lượng từ sóng điện từ được cấu tạo II. THIẾT KẾ MẠCH THU HOẠCH NĂNG LƯỢNG tương tự như khối mạch thu trong hệ thống truyền năng lượng Mạch thu hoạch năng lượng từ sóng điện từ, thường gọi không dây, bao gồm một ăng-ten thu và một mạch chỉnh lưu là rectenna có cấu tạo gồm hai phần tử chính là ăng-ten thu để chuyển đổi nguồn năng lượng từ RF sang năng lượng một và mạch chỉnh lưu (xem Hình 1). Ăng-ten giúp chuyển đổi chiều (DC). Nhưng điểm khác biệt là hệ thống thu hoạch năng năng lượng sóng điện từ trong môi trường thành điện áp xoay lượng từ sóng điện từ khai thác năng lượng từ các nguồn sóng chiều tần số cao. Năng lượng thu được này sẽ được chuyển điện từ có mặt trong môi trường sống như sóng viễn thông tới mạch chỉnh lưu và lọc nhằm biến đổi chúng thành điện áp (2G/3G/4G/5G) hoặc sóng Wi-Fi chứ không sử dụng một bộ một chiều phù hợp cho việc lưu trữ và cấp nguồn cho các thiết phát nguồn không dây. Cấu trúc này giúp giảm chi phí thiết bị điện tử công suất thấp như các mạch cảm biến không dây kế hệ thống thu hoặch năng lượng, nhưng gặp khó khăn là công nghệ Bluetooth. mật độ sóng điện từ từ nguồn sóng viễn thông trong môi Với mạch thu hoạch năng lượng, nguồn sóng viễn thông trường sống rất thấp, nơi cao nhất chỉ đạt khoảng từ -10 dBm trong môi trường có hướng sóng tới không biết trước được do tới -20 dBm, vì vậy nguồn năng lượng thu hoạch được không sự tán xạ, phản xạ của sóng từ các trạm thu phát gốc trong quá cao và yêu cầu độ nhạy của mạch lớn. Giải pháp nâng cao trình lan truyền Vì vậy, ăng-ten thu đặt mục tiêu có độ rộng năng lượng thu hoạch được từ nguồn sóng điện từ có sẵn trong búp sóng lớn và hiệu suất bức xạ cao. trong thiết kế này chúng môi trường là đề tài thu hút nhiều công ty, viện nghiên cứu tôi đề xuất dùng ăng-ten lưỡng cực vi dải làm ăng-ten thu. trên toàn thế giới. Một số giải pháp đã được đề xuất như việc Thiết kế mạch chỉnh lưu được chúng tôi đề xuất là mạch chỉnh ghép mảng nhiều ăng-ten thu [4], hiệu suất đạt được 44.1% lưu toàn sóng nhân đôi điện áp có khả năng hoạt động với với mật độ công suất tới là 0.041 W/m2. Thiết kế ăng-ten với búp sóng rộng ở [5] đạt được hiệu suất 40% với mật độ công ISBN: 978-604-80-5076-4 19
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) hiệu suất chuyển đổi cao trong điều kiện mật độ năng lượng tới thấp của nguồn sóng viễn thông trong môi trường. a) Hệ số phản xạ S11 Hình 1. Cấu trúc mạch thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông cho cảm biến không dây tự chủ năng lượng A. Thiết kế ăng-ten thu Ăng-ten thu là ăng-ten lưỡng cực vi dải tích hợp balun hình chữ J, hoạt động ở dải tần số dành cho thiết bị đầu cuối công nghệ 5G, từ 3.6 GHz tới 3.8 GHz. Tương tự như ăng- b) Đồ thị bức xạ ten lưỡng cực truyền thống, các tham số chính của ăng-ten lưỡng cực vi dải (hình 2a) bao gồm: chiều dài L của mỗi cánh Hình 3. Hệ số phản xạ S11 và đồ thị bức xạ của ăng-ten tay tỷ lệ với tần số cộng hưởng của ăng-ten (L=15 mm). Chiều lưỡng cực vi dải rộng W của mỗi cánh tay là W=2.6 mm. Khe g giữa 2 cánh B. Thiết kế mạch chỉnh lưu tay ảnh hưởng đến trở kháng vào của phần bức xạ của ăng- Mạch chỉnh lưu cho ứng dụng thu hoạch năng lượng có ten (g=1.4 mm). Ăng-ten lưỡng cực có cấu trúc đối xứng, nếu nhiều cấu trúc như mạch nhân điện áp Cockcroft–Walton, được cấp nguồn bằng đường truyền vi dải hoặc cáp đồng trục Dickson, … cùng với phần tử bán dẫn sử dụng là diode hoặc là các cấu trúc bất đối xứng, sẽ gây nên hiện tượng mất cân transistor [10]. Với ngưỡng công suất tới thấp của sóng viễn bằng tín hiệu kích thích tại hai đầu vào của ăng-ten lưỡng cực thông trong môi trường từ -10 dBm tới -20 dBm, việc sử dụng và do đó gây ra một dòng điện rò ở bên ngoài của cáp đồng mạch nhân đôi điện áp là phương án tối ưu về công suất tiêu trục. Balun vi dải hình chữ J có chiều dài 15 mm như trong thụ [3][12]. Phần tử bán dẫn sử dụng cho mạch chỉnh lưu Hình 2b được sử dụng để khắc phục vấn đề này. trong thiết kế đề xuất là diode Schottky SMS7630 có điện áp rơi thấp, tần số đóng cắt nhanh cùng hiệu suất chuyển đổi tốt với trường hợp công suất tới thấp [11]. Điện áp thu được sau khi qua mạch chỉnh lưu vẫn còn tồn tại một số thành phần sóng hài do tính phi tuyến của diode nên cần có mạch lọc thông thấp hình dải quạt giúp loại bỏ các hài này và làm phẳng điện áp. a) Mặt trước b) Mặt sau Để năng lượng từ ăng-ten thu được truyền tối đa tới Hình 2. Antenna dipole vi dải 3.75GHz đã chế tạo mạch chỉnh lưu thì cần phải có sự phối hợp trở kháng giữa hai khối này. Thông thường, việc phối hợp trở kháng này được Hệ số phản xạ và đồ thị bức xạ của ăng-ten được trình thực hiện bằng cách sử dụng mạch phối hợp trở kháng nối bày trong hình 3 với băng thông tại điểm S11≤-15 dB là 210 giữa mạch chỉnh lưu và ăng-ten thu. Tuy nhiên sử dụng thêm MHz; hệ số phản xạ đạt -39 dB tại tần số trung tâm 3.75 GHz khối mạch phối hợp trở kháng này sẽ làm tăng kích thước của và hệ số phản xạ nhỏ nhất là -43 dB tại tần số 3.74 GHz. Độ mạch đồng thời hao phí năng lượng trên mạch là nguyên nhân tăng ích của ăng-ten tại tần số 3.75 GHz là 4.57 dBi với hiệu giảm hiệu suất chuyển đổi RF-DC. Vì vậy, trong bài báo này suất bức xạ đạt 97.32% và hiệu suất tổng bằng 96.63%: mạch phối hợp trở kháng sẽ được bỏ đi, ăng-ten thu sẽ được thiết kế sao cho phối hợp trở kháng với chính mạch chỉnh lưu. Tải tối ưu được lựa chọn trong thiết kế này là 4.2 kOhm. ISBN: 978-604-80-5076-4 20
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Hình 4. Cấu trúc mạch chỉnh lưu RF-DC Hình 7. Cấu hình thử nghiệm mạch RF-DC trong điều Mạch chỉnh lưu đề xuất được chế tạo trên chất nền kiện phòng thí nghiệm Duroid 5880 có độ dày 0.8mm và có hình dáng như Hình 5: Hiệu suất chuyển đổi của mạch được tính bằng tỉ số năng lượng thu được trên tải so với năng lượng sóng tới anten. Kết quả mô phỏng và đo đạc hiệu suất chuyển đổi của mạch RF- DC cho thấy mạch có thể hoạt động với hiệu suất trung bình đạt được trên 30% trong dải công suất sóng tới thấp -15 dBm tới -5 dBm, tại 0dBm thì mạch cho hiệu suất chuyển đổi tối đa đo được đạt 50%. Hình 5. Mạch chỉnh lưu đã chế tạo Hình 8. Đồ thị hiệu suất chuyển đổi RF-DC theo công suất tới Bảng 1 so sánh kết quả thực nghiệm của mạch thu hoạch năng lượng đề xuất so với các nghiên cứu liên quan: Hình 6. Đồ thị hệ số phản xạ S11 của mạch chỉnh lưu: Các Công Loại Hiệu suất chuyển Tải chế tạo và mô phỏng công suất tới diode sử đổi RF-DC tối ưu bố (dBm) dụng (%) (kΩ) Kết quả đo hệ số phản xạ S11 của mạch chỉnh lưu có HSMS 35% @ 2.14 [12] -10 5.6 cộng hưởng tốt ở tần số mong muốn cho thấy khả năng hấp 2850 GHz thụ tốt lượng năng lượng từ sóng điện từ thu được bởi ăng- HSMS 20% @ 2.45 [13] -5 12 ten thu. 7630 GHz SMS 34% @ 2.15 [14] 0 14.7 III. THỬ NGHIỆM MẠCH RF-DC 7630 GHz Trong phần thử nghiệm, do băng tần 3.75 GHz công SMS [15] -10 15% @ 3.6 GHz 1 nghệ 5G chưa được phát trên trạm thu phát gốc trong thực tế 7630 nên chúng tôi tiến hành thử nghiệm đánh giá mạch RF-DC Nghiên SMS 39% @ 3.75 như sau: sử dụng nguồn phát sóng bằng mạch tổng hợp tần số cứu -10 4.2 7630 GHz ADF4351 với một ăng-ten vi dải phát 3.75 GHz. Chúng tôi này thực hiện việc thu hoạch năng lượng tại các vị trí có công suất tới nằm trong khoảng từ -15 dBm cho tới 0 dBm. Điện áp một Từ bảng trên nhận thấy rằng tại cùng công suất tới thấp chiều trên tải được đo bằng vôn kế như Hình 7: là -10 dBm, mạch đề xuất có hiệu suất chuyển đổi đo được cao hơn so với các công bố [12-15], tuy nhiên công bố [15] ISBN: 978-604-80-5076-4 21
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) có tải thấp hơn so với mạch đề suất tới bốn lần với hiệu suất [11] S. Hemour et al., ‘Towards Low-Power High- chuyển đổi là 15%. Việc hiệu suất chuyển đổi cao khi sóng Efficiency RF and Microwave Energy Harvesting’, tới thấp và tải tối ưu thấp vẫn là một thách thức chung cho các IEEE Trans. Microwave Theory Techn., vol. 62, no. 4, nghiên cứu về mạch thu hoạch năng lượng. pp. 965–976, Apr. 2014. [12] N. Tung, “Multi-band ambient RF energy harvesting IV. KẾT LUẬN rectifier for autonomous Wireless Sensor networks,” in Trong bài báo này, chúng tôi đã đề xuất một mạch thu 2016 IEEE Region 10 Conference (TENCON), hoạch năng lượng từ sóng viễn thông. Mạch đã được chế tạo Singapore, 2016. và đo kiểm với kết quả thực nghiệm cho thấy mạch đạt hiệu [13] P. Gajanan, B. Arora, T. Goel, and A. Patnaik, ‘A Dual- suát chuyển đổi là 39% khi công suất tới là -10 dBm và là band Microwave Energy Harvesting Rectenna System 50% khi công suất tới là 0 dBm. Mạch có khả năng cung cấp for WiFi Sources’, in 2019 IEEE Indian Conference on năng lượng từ 9µW cho tới 0.04mW trong điều kiện công suất Antennas and Propogation (InCAP), Ahmedabad, sóng tới trong dải từ -15dBm cho tới -10dBm, công suất thu India, Dec. 2019. hoạch được này đủ để cung cấp năng lượng trực tiếp cho các [14] D. Masotti, A. Costanzo, M. Del Prete, and V. Rizzoli, mạch cảm biến không dây có công suất thấp ở chế độ ngủ. “Genetic-based design of a tetra-band high-efficiency Việc ghép thêm mạch thu hoạch với mạch lưu trữ năng lượng radio-frequency energy harvesting system,” IET hứa hẹn một giải pháp tự chủ năng lượng cho các mạch cảm Microw. Antennas Propag., vol. 7, no. 15, pp. 1254– biến không dây hiện đại. 1263, Dec. 2013. [15] K. T. Chandrasekaran, K. Agarwal, Nasimuddin, A. TÀI LIỆU THAM CHIẾU Alphones, R. Mittra, and M. F. Karim, ‘Compact Dual- [1] Texas Instruments, ‘CC2650 SimpleLinkTM Band Metamaterial-Based High-Efficiency Rectenna: Multistandard Wireless MCU’. Feb. 2015. An Application for Ambient Electromagnetic Energy [2] Nordic Semiconductor, ‘nRF52811 Datasheet’. Feb. Harvesting’, IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 62, no. 2019. 3, pp. 18–29, Jun. 2020. [3] D.-K. Ho, I. Kharrat, V.-D. Ngo, T.-P. Vuong, Q.-C. Nguyen, and M.-T. Le, ‘Dual-band rectenna for ambient RF energy harvesting at GSM 900 MHz and 1800 MHz’, in 2016 IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies (ICSET), Hanoi, Vietnam, Nov. 2016, pp. 306–310. [4] T. Matsunaga, E. Nishiyama, and I. Toyoda, ‘5.8-GHz Stacked Differential Rectenna Suitable for Large-Scale Rectenna Arrays With DC Connection’, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 63, no. 12, pp. 5944–5949, Dec. 2015. [5] H. Sun, Y. Guo, M. He, and Z. Zhong, ‘A Dual-Band Rectenna Using Broadband Yagi Antenna Array for Ambient RF Power Harvesting’, IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 12, pp. 918–921, 2013. [6] U. Muncuk, K. Alemdar, J. D. Sarode, and K. R. Chowdhury, ‘Multiband Ambient RF Energy Harvesting Circuit Design for Enabling Batteryless Sensors and IoT’, IEEE Internet Things J., vol. 5, no. 4, pp. 2700–2714. [7] S. Ladan and K. Wu, ‘Nonlinear Modeling and Harmonic Recycling of Millimeter-Wave Rectifier Circuit’, IEEE Trans. Microwave Theory Techn., vol. 63, no. 3, pp. 937–944, Mar. 2015. [8] P. Wu et al., “Compact high-efficiency broadband rectifier with multistage-transmission-line matching,” IEEE Trans. Circuits Syst. II, Exp. Briefs, vol. 66, no. 8, pp. 1316–1320, Aug. 2019 [9] H. Sakaki and K. Nishikawa, “Broadband rectifier design based on quality factor of input matching circuit,” in Proc. Asia–Pacific Microw. Conf., Sendai, Japan, Nov. 2014, pp. 1205–1207. [10] L.-G. Tran, H.-K. Cha, and W.-T. Park, ‘RF power harvesting: a review on designing methodologies and applications’, Micro and Nano Syst Lett, vol. 5, no. 1, p. 14, Dec. 2017. ISBN: 978-604-80-5076-4 22