ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ TUẤN ANH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CHỈNH LƢU NĂNG LƢỢNG SIÊU CAO TẦN 2.45 GHZ DÙNG CHO HỆ THỐNG THU NĂNG LƢỢNG Ở KHOẢNG CÁCH GẦN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ TUẤN ANH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CHỈNH LƢU NĂNG LƢỢNG SIÊU CAO TẦN 2.45 GHZ DÙNG CHO HỆ THỐNG THU NĂNG LƢỢNG Ở KHOẢNG CÁCH GẦN Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Cán bộ hƣớng dẫn: PGS. BẠCH GIA DƢƠNG HÀ NỘI - 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.Bạch Gia Dương đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp cho em có những kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu trong thời gian được học tập và nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu điện tử viễn thông, Đại Học Công Nghệ. Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã rất nhiệt tình giảng dạy và cho em những lời khuyên hữu ích trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường. Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian thực hiện khóa luận có hạn, vốn kiến thức nắm được chưa nhiều nên luận văn còn nhiều hạn chế.
Em rất mong nhận được nhiều sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô để hoàn thiện hơn bài viết của mình. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm2015 Học viên thực hiện 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015 TÓM TẮT NỘI DUNG Năng lượng không dây ngày càng trở nên phổ biến trong thế giới hiện đại, trong khi nhu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, các nguồn năng lượng khai thác truyền thống ngày càng giảm đi thì việc sử dụng năng lượng vũ trụ có thể trở thành cần thiết trong thời gian không xa. Khi khai thác năng lượng vũ trụ đặt ra nhu cầu truyền năng lượng không dây về trái đất. Hiện nay để truyền năng lượng không dây, thế giới đang tập trung vào hướng truyền năng lượng trên dải sóng siêu cao tần.
Công nghệ thu năng lượng không dây sử dụng một thiết bị gọi là Rectenna, Rectenna bao gồmantenna thu, bộ phối hợp trở kháng giữa antennavà rectifier (bộ chỉnh lưu năng lượng siêu cao tần sang điện một chiều DC trong đó tín hiệu siêu cao tầnđược thu từ antenna). Nguyên lý của hệ thống truyền năng lượng vũ trụ là năng lượng mặt trời qua hệ thống Solar Power Satellite sau đó truyền về trái đất bằng sóng siêu cao tần. Tại nơi nhận, một antenna thu được đặt sau đó năng lượng siêu cao tần này được chuyển đổi thành điện năng để sử dụng. Hệ thống truyền năng lượng không dây ở khoảng cách gần có nhiều ứng dụng trong thực tế để truyền năng lượng điểm- điểm trong không gian, truyền năng lượng từ mặt đất lên không gian, truyền năng lượng giữa điểm phát và điểm thu trên mặt đất.
Khoảng cách truyền năng lượng trong các ứng dụng này được sử dụng sóng siêu cao tần, tần số 2. Đối với truyền năng lượng không dây ở dải sóng siêu cao tần, có thể sử dụng tần số 5.3 GHzđể thu nhỏ kích thước của antenna nhưng hiệu suất truyền năng lượng thấp hơn khi sử dụng tần số 2. Hệ thống truyền năng lượng không dây theo nguyên lý nói trên có thể được áp dụng cho các thiết bị tiêu thụ năng lượngmặt trời, cấp điện không dây cho các thiết bị dùng trong gia đình, sử dụng cho tivi, laptop, sạc không dây cho điện thoại, máy tính bảng.Ngoài ratruyền năng lượng không dây có thể ứng dụng cho đặc thù sử dụng năng lượng không dây, cấp điện không dây cho các thiết bịhoạt động trong các khu vực phức tạp không có khả năng cấp điện trực tiếp mà phải cấp điện không dây từ xa. Trong khuôn khổ luận văn này, cùng với việc nghiên cứu tổng quan về hệ thống truyền năng lượng không dây, luận văn tập trung nghiên cứu về công nghệ chỉnh lưu siêu cao tần với hiệu suất cao và nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu năng lượng 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015 siêu cao tần hoạt động ở tần số 2.45 GHz sử dụng cho việc truyền năng lượng không dây ở khoảng cách gần.
3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015 MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY. Lịch sử phát triển. Truyền năng lượng không dây dùng sóng 2. Một số ưu điểm, nhược điểm .14 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ CHỈNH LƢU VÀ HỆ THỐNG RECTENNA.
Các kiến thức cơ bản. Các kỹ thuật chỉnh lưu. Cấu trúc của Rectenna. Phối hợp trở kháng trong Rectenna.
Khái niệm chung. Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng. Mạch lọc trong rectenna. Mạch lọc sau antenna.
Mạch lọc sau khối chỉnh lưu .39 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CHỈNH LƢU 2. Yêu cầu thiết kế. Thiết kế bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ dùng diode loại HSMS2820. Thiết kế mạch phối hợp trở kháng sử dụng mạch dải bằng phần mềm ADS 43 3.
Thiết kế mạch chỉnh lưu bằng phần mềm ADS. Kết quả mô phỏng và đo kiểm. Thiết kế bộ chỉnh lưu bội áp dùng diode loại HSMS2820. Thiết kế bộ chỉnh lưu bội áp dùng Transistor siêu cao tần SGA9189z .48 TÀI LIỆU THAM KHẢO .49 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 TruyềnnănglượngkhôngdâytừvệtinhđếnTráiĐất Hình 1.2: ThápWardenclyffe do Nikola Tesla xâydựng Hình 1.4: Cáckiểuchỉnhlưusiêucaotần Hình.5: Cấutrúcbộchỉnhlưuphứchợp Hình 2.1: Phânloạivậtrắntheocấutrúcvùngnănglượng Hình 2.2: Cơchếphátsinhcặphạtdẫntự do trongchấtbándẫnthuần Hình 2.3: Chấtbándẫnphatạploại n Hình 2.4: Chấtbándẫnphatạploại p Hình 2.6: PhâncựcngượcchoJp-n Hình 2.7: Cấutạocủa diode Hình 2.8: Đặctuyến Volt Ampere của diode bándẫn Hình 2.9: Phâncựcngượccho diode Hình 2.10: Diode chỉnhlưu Hình 2.11: Cấutạocủa Diode Schottky Hình 2.12: Đặctrưng Volt Ampere của Diode Schottky Hình 2.13: Đặctrưng Volt Ampere của Diode Zener Hình 2.14: Đặctuyếnđiện dung theođiệnthếcủa diode biến dung Hình 2.15: Đặctrưng Volt Ampere của diode hầm Hình 2.16: Chỉnhlưunửachukỳ Hình 2.17: Chỉnhlưuhainửachukỳ Hình 2.18: Chỉnhlưucầu Hình 2.19: Mạchtăngđôiđiệnápdùngcầu diode Hình 2.20: Mạchtăngđôiđiệnápdùnghai diode Hình 2.21: Mạchtăngba/tăngbốnđiệnáp Hình 2.23b: Rectennatronghệthốngtruyềnnănglượngkhôngdây ởkhoảngcáchgần 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015 Hình 2.24: Mạchphốihợpphốihợptrởkhánggiữatrởkhángtảibấtkỳ vàđườngtruyềnsóng Hình 2.26: Phânbốtrườngcủađườngtruyềnvidải Hình 2.27: ĐườngtruyềnvidảiđặttronghệtoạđộĐecac Hình 2.28: Trởkhángđặctínhvàhệsốđiệnmôihiệuứngcủađườngtruyềnvidảiđượctínhtheophươngphápc ủa Wheeler Hình 2.29: Mạchlọcdùng RC Hình 2.30: Mạchlọcdùng LC Hình 2.31: Mạchlọcthôngthấp, thôngcaodùng RL Hình 3.1: Thôngsố diode Schottky HSMS2820 Hình 3.2: Đặctrưnggiátrịđiệnápravàcôngsuấtđầuvàocủa diode HSMS2820 Hình 3.45 GHz thiếtkếbằng ADS Hình 3.4: Kếtquảmôphỏngmạchphốihợptrởkháng Hình 3.45 GHz thiếtkếbằng ADS Hình 3.45 GHz saukhichếtạo Hình 3.7: Mạchchỉnhlưusaukhiđokiểm, tạohiệuứngsángđèn Led Hình 3.8: Mạchđiệnthiếtkếdùng 2 diode vớibộlọc SAW Hình 3.9: Kếtquảmôphỏngbộchỉnhlưubộiápvớibộlọc SAW Hình 3.10: Sơđồthiếtkếbộchỉnhlưubộiápsửdụng SGA9189z Hình 3.11: Kếtquảmôphỏngbộchỉnhlưubộiápsửdụng SGA9189z 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015 CHƢƠNG1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY 1.
Lịch sử phát triển Truyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây WPT (Wireless Power Transmission) là quá trình truyền năng lượng cao từ một điểm đến một điểm nào đó không cần dây dẫn. Truyền năng lượng không dây, về cơ bản khác với truyền thông tin không dây trong viễn thông (như Radio, TV, Rada, Mobilphone), ở đó thông tin được biến điệu truyền đi mọi hướng, tín hiệu có trong một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở đầu thu thường rất nhỏ (cỡ nW đến µW)… còn trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây thì công suất và hiệu suất truyền năng lượng là quan trọng nhất, năng lượng chỉ truyền định hướng. Phần lớn các hệ thống truyền năng lượng không dây trường gần dựa trên nguyên lý cảm ứng từ và cảm ứng điện từ. Về sau công nghệ truyền năng lượng không dây trường xa được thực hiện bằng nguyên lý 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: Truyền năng lượng không dây từ vệ tinh đến Trái Đất Về mặt lịch sử truyền năng lượng không dây được nghiên cứu triển khai rất sớm, cách đây khoảng 150 năm, bắt đầu từ các khái niệm và ý tưởng về truyền năng lượng 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015 mà không cần dùng đường dây tải điện cao thế do Nicola Tesla khởi xướng.
Tuy nhiên từ đó cho đến nay kết quả lý thuyết và thực nghiệm về truyền tải công suất không dây đã không tiến bộ nhiều so với công nghệ truyền thông tin do thiếu mô hình lý thuyết và công nghệ mới phù hợp.Năm 1900 với việc triển khai truyền năng lượng không dây qua các tháp cao ở New York, làm sáng một số bóng đèn huỳnh quang ở khoảng cách 26 hải lý (cỡ 40 km), N.Tesla đã thu được một số kết quả đáng khích lệ trong lĩnh vực truyền thông không dây. Một số nhà nghiên cứu đó đã truyển khai nhiều nghiên cứu thí nghiệm về truyền năng lượng không dây trường gần dùng để nạp điện cho một số thiết bị như máy điện,ô tô, xe điện, máy tính, điện thoại di động …Doanh thu cho nạp điện không dây lên tới 1 tỷ USD. Tuy nhiên chỉ đến năm 2004, sau các nghiên cứu lý thuyết tường minh hơn, và nhất là sau các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu tại MIT, vấn đề này mới được nghiên cứu mạnh mẽ, nhiều công ty lớn như Samsung, Intel đã nhanh chóng đầu tư và đạt được rất nhiều kết quả ấn tượng. Trong khi đó việc nghiên cứu truyền công suất trường xa đã được quan tâm mạnh từ những năm 1973, sau patent của Glasser 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 được triển khai với đầu tư hàng chục tỷ USD và đã thu được nhiều kết quả tốt. Theo suốt lịch sử phát triển, nhiều nhà phát minh đã thử áp dụng nhiều phương pháp truyền tín hiệu không dây, bao gồm cả phương pháp cảm ứng điện từ và truyền tín hiệu qua mặt đất.