Nghiên Cứu, Thiết Kế và Chế Tạo Bộ Chỉnh Lưu Năng Lượng Siêu Cao Tần 2.45 GHz

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ chỉnh lưu năng lượng siêu cao tần 2 45 ghz dùng cho hệ thống thu, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Lê Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: PGS. Bạch Gia Dương
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Nghiên Cứu và Thiết Kế Bộ Chỉnh Lưu Năng Lượng Siêu Cao Tần 2.45 GHz
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT NỘI DUNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY
• 1.1. Lịch sử phát triển
• 1.2. Truyền năng lượng không dây dùng sóng 2.45 GHz
• 1.3. Một số ưu điểm, nhược điểm
• 2. CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ CHỈNH LƯU VÀ HỆ THỐNG RECTENNA
• 2.1. Các kiến thức cơ bản
• 2.2. Các kỹ thuật chỉnh lưu
• 2.3. Cấu trúc của Rectenna
• 2.4. Phối hợp trở kháng trong Rectenna
• 2.4.1. Khái niệm chung
• 2.4.2. Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng
• 2.5. Mạch lọc trong rectenna
• 2.5.1. Mạch lọc sau antenna
• 2.5.2. Mạch lọc sau khối chỉnh lưu
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CHỈNH LƯU 2.45 GHz
• 3.1. Yêu cầu thiết kế
• 3.2. Thiết kế bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ dùng diode loại HSMS2820
• 3.2.1. Thiết kế mạch phối hợp trở kháng sử dụng mạch dải bằng phần mềm ADS
• 3.2.2. Thiết kế mạch chỉnh lưu bằng phần mềm ADS
• 3.2.3. Kết quả mô phỏng và đo kiểm
• 3.3. Thiết kế bộ chỉnh lưu bội áp dùng diode loại HSMS2820
• 3.4. Thiết kế bộ chỉnh lưu bội áp dùng Transistor siêu cao tần SGA9189z
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Thu Hoạch Năng Lượng Siêu Cao Tần 2

Thu hoạch năng lượng RF đang trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, đặc biệt là ở tần số 2.45 GHz. Đây là một tần số ISM được sử dụng rộng rãi, cho phép thu năng lượng siêu cao tần từ các nguồn phát như Wi-Fi, Bluetooth, và lò vi sóng. Rectenna, một thành phần quan trọng trong hệ thống này, chuyển đổi sóng điện từ thành điện năng DC. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) của bộ chỉnh lưu và anten, đồng thời giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng thấp. Ứng dụng tiềm năng bao gồm ứng dụng IoT, ứng dụng wireless power transfer, và các thiết bị tự hành. Việc sử dụng năng lượng tái tạo từ môi trường xung quanh giúp giảm sự phụ thuộc vào pin và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Tài liệu gốc cho thấy sự quan tâm ngày càng tăng đối với việc khai thác năng lượng vũ trụ và truyền nó về Trái Đất thông qua sóng siêu cao tần. Điều này đòi hỏi các nghiên cứu sâu rộng về bộ chỉnh lưu năng lượng.

1.1. Lịch Sử Phát Triển của Công Nghệ Thu Năng Lượng RF

Công nghệ thu năng lượng RF có một lịch sử phát triển lâu dài, bắt đầu từ những ý tưởng của Nikola Tesla về truyền tải điện năng không dây. Từ năm 1973, việc truyền công suất trường xa đã được quan tâm mạnh mẽ, 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. Các nghiên cứu ban đầu tập trung vào việc truyền năng lượng qua không khí để thắp sáng đèn, nhưng sau đó được mở rộng sang các ứng dụng khác nhau, ví dụ như máy bay mô hình và sạc không dây. Các cột mốc quan trọng bao gồm thí nghiệm của Brown vào năm 1964 và các nghiên cứu của MIT vào năm 2007, đánh dấu những bước tiến đáng kể trong hiệu suất và khoảng cách truyền tải.

1.2. Tổng Quan về Rectenna và Nguyên Lý Hoạt Động

Rectenna là một thành phần cốt lõi trong hệ thống thu năng lượng RF, bao gồm một anten thu và một bộ chỉnh lưu. Chức năng chính của Rectenna là chuyển đổi sóng điện từ thành điện năng DC. Anten thu nhận sóng điện từ từ môi trường xung quanh, sau đó tín hiệu RF được truyền đến bộ chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu, thường sử dụng diode Schottky, chuyển đổi tín hiệu AC thành điện áp DC. Một mạch lọc thường được sử dụng để loại bỏ các thành phần AC không mong muốn và cung cấp điện áp DC ổn định cho tải. Thiết kế hiệu quả của Rectenna đòi hỏi sự tối ưu hóa cả anten và bộ chỉnh lưu, cũng như trở kháng phù hợp giữa chúng.

II. Thách Thức Vấn Đề Thiết Kế Bộ Chỉnh Lưu 2

Thiết kế bộ chỉnh lưu hiệu quả cho 2.45 GHz đặt ra nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là tối đa hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE). Các yếu tố ảnh hưởng đến PCE bao gồm: tổn thất trong anten, mạch lọc, và diode chỉnh lưu. Việc lựa chọn diode Schottky phù hợp với đặc tính điện áp và tần số hoạt động là rất quan trọng. Trở kháng phù hợp giữa anten và bộ chỉnh lưu cũng đóng vai trò quan trọng trong việc truyền năng lượng hiệu quả. Ngoài ra, việc giảm thiểu kích thước và chi phí thấp cũng là những yếu tố cần xem xét, đặc biệt đối với các ứng dụng IoT. Các bài toán liên quan đến tuyến tính và ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như nhiệt độ cũng cần được giải quyết.

2.1. Ảnh Hưởng của Diode Schottky đến Hiệu Suất Chỉnh Lưu

Diode Schottky đóng vai trò then chốt trong hiệu suất của bộ chỉnh lưu. Các thông số quan trọng của diode Schottky bao gồm: điện áp chuyển tiếp, dòng điện rò ngược, và điện dung. Điện áp chuyển tiếp thấp giúp giảm tổn thất năng lượng trong quá trình chỉnh lưu. Dòng điện rò ngược thấp giúp giảm sự tiêu thụ năng lượng khi diode ở trạng thái tắt. Điện dung nhỏ giúp cải thiện hiệu suất ở tần số cao. Việc lựa chọn diode Schottky phù hợp đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng các thông số này để tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE).

2.2. Yếu Tố Trở Kháng Phù Hợp Trong Thiết Kế Rectenna

Trở kháng phù hợp là yếu tố then chốt để truyền tải công suất đầu vào tối đa từ anten đến bộ chỉnh lưu. Sự không phù hợp trở kháng sẽ dẫn đến phản xạ năng lượng, làm giảm hiệu suất tổng thể của Rectenna. Các kỹ thuật phối hợp trở kháng thường được sử dụng bao gồm: sử dụng mạch cộng hưởng, mạch lọc, và các đoạn tuyến tính có chiều dài thích hợp. Việc mô phỏng mạch và tối ưu hóa các thông số mạch là rất quan trọng để đạt được trở kháng phù hợp tối ưu.

III. Phương Pháp Thiết Kế Mạch Chỉnh Lưu Siêu Cao Tần 2

Thiết kế mạch chỉnh lưu cho 2.45 GHz đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Các phương pháp thiết kế phổ biến bao gồm: mô phỏng mạch bằng phần mềm (ADS, HFSS, CST), xây dựng nguyên mẫu trên PCB, và đo đạc kiểm tra. Mô phỏng phần mềm cho phép dự đoán hiệu suất của mạch và tối ưu hóa các thông số thiết kế. Xây dựng nguyên mẫu trên PCB giúp kiểm tra tính khả thi của thiết kế và xác định các vấn đề thực tế. Đo đạc kiểm tra giúp xác thực kết quả mô phỏng và tối ưu hóa hiệu suất của mạch trong điều kiện thực tế. Các yếu tố quan trọng trong thiết kế bao gồm: lựa chọn diode Schottky, thiết kế mạch lọc, và đảm bảo trở kháng phù hợp.

3.1. Sử Dụng Phần Mềm Mô Phỏng ADS HFSS CST để Thiết Kế Mạch

Mô phỏng phần mềm là một công cụ quan trọng trong thiết kế mạch chỉnh lưu. Các phần mềm như ADS, HFSS, và CST cho phép mô phỏng hành vi của mạch ở tần số cao và dự đoán hiệu suất của nó. Mô phỏng giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn trong thiết kế và tối ưu hóa các thông số mạch. Ví dụ, mô phỏng có thể giúp xác định giá trị tối ưu của các thành phần trong mạch lọc, hoặc giúp tối ưu hóa hình dạng và kích thước của anten. Mô phỏng cũng cho phép đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ và độ ẩm đến hiệu suất của mạch.

3.2. Lựa Chọn và Tối Ưu Hóa Linh Kiện Diode Tụ Điện Cuộn Cảm

Việc lựa chọn linh kiện phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao trong mạch chỉnh lưu. Diode Schottky phải có điện áp chuyển tiếp thấp và dòng điện rò ngược nhỏ. Tụ điện và cuộn cảm phải có hệ số phẩm chất Q cao để giảm tổn thất năng lượng. Việc tối ưu hóa giá trị của các linh kiện này cũng rất quan trọng để đạt được trở kháng phù hợp và hiệu suất tối ưu. Ví dụ, giá trị của tụ điện có thể được tối ưu hóa để tạo ra một mạch cộng hưởng tại tần số hoạt động.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Bộ Chỉnh Lưu Năng Lượng 2

Bộ chỉnh lưu năng lượng ở 2.45 GHz có nhiều ứng dụng tiềm năng. Các ứng dụng IoT như cảm biến không dây và thiết bị theo dõi có thể được cấp nguồn bằng năng lượng RF thu được từ môi trường. Ứng dụng wireless power transfer cho phép sạc không dây các thiết bị di động và các thiết bị điện tử khác. Ứng dụng năng lượng tái tạo có thể sử dụng bộ chỉnh lưu để thu năng lượng RF từ các nguồn phát có sẵn, giảm sự phụ thuộc vào pin và các nguồn năng lượng truyền thống. Việc phát triển các bộ chỉnh lưu có kích thước nhỏ gọn và chi phí thấp sẽ mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới.

4.1. Cấp Nguồn Không Dây cho Các Thiết Bị IoT Sử Dụng Rectenna

Một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của Rectenna là cấp nguồn không dây cho các thiết bị IoT. Các cảm biến không dây, thiết bị theo dõi sức khỏe, và các thiết bị thông minh khác có thể được cung cấp điện áp đầu ra bằng năng lượng RF thu được từ môi trường. Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết của pin và kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Việc phát triển các Rectenna có mức tiêu thụ điện năng thấp là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả của các thiết bị IoT.

4.2. Sạc Không Dây Các Thiết Bị Di Động Thông Qua Thu Hoạch Năng Lượng RF

Sạc không dây là một ứng dụng phổ biến khác của công nghệ thu năng lượng RF. Rectenna có thể được tích hợp vào các thiết bị di động như điện thoại thông minh và máy tính bảng để thu năng lượng từ các nguồn phát Wi-Fi và Bluetooth. Điện áp đầu ra từ Rectenna có thể được sử dụng để sạc pin của thiết bị. Mặc dù công suất đầu ra từ Rectenna thường nhỏ, nhưng nó có thể cung cấp một nguồn năng lượng bổ sung để kéo dài thời gian sử dụng của thiết bị.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Bộ Chỉnh Lưu 2

Nghiên cứu và phát triển bộ chỉnh lưu cho 2.45 GHz tiếp tục là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Các hướng nghiên cứu tương lai bao gồm: cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE), giảm thiểu kích thước nhỏ gọn và chi phí thấp, và phát triển các bộ chỉnh lưu đa tần số và đa chế độ. Việc tích hợp bộ chỉnh lưu với các công nghệ khác như công nghệ bán dẫn mới và vật liệu bán dẫn tiên tiến có thể mở ra những ứng dụng mới. Ứng dụng năng lượng tái tạo và truyền năng lượng không dây sẽ tiếp tục thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực này.

5.1. Hướng Nghiên Cứu Nâng Cao Hiệu Suất Chuyển Đổi Năng Lượng PCE

Nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) là một mục tiêu quan trọng trong nghiên cứu bộ chỉnh lưu. Các phương pháp để cải thiện PCE bao gồm: sử dụng diode Schottky có đặc tính tốt hơn, tối ưu hóa mạch lọc, và phát triển các kỹ thuật phối hợp trở kháng tiên tiến hơn. Nghiên cứu về vật liệu bán dẫn mới có thể dẫn đến sự ra đời của các diode có hiệu suất cao hơn. Việc khám phá các cấu trúc mạch chỉnh lưu mới cũng có thể giúp cải thiện PCE.

5.2. Tiềm Năng Phát Triển trong Tương Lai của Công Nghệ Rectenna

Công nghệ Rectenna có tiềm năng phát triển lớn trong tương lai. Việc thu năng lượng RF từ môi trường có thể trở thành một nguồn năng lượng bền vững và tái tạo. Các ứng dụng wireless power transfer sẽ ngày càng trở nên phổ biến, cho phép sạc không dây các thiết bị di động và các thiết bị điện tử khác. Ứng dụng IoT sẽ được hưởng lợi từ việc có thể cấp nguồn không dây cho các thiết bị cảm biến và thiết bị theo dõi. Sự phát triển của công nghệ bán dẫn mới và vật liệu bán dẫn tiên tiến sẽ tiếp tục thúc đẩy sự phát triển của công nghệ Rectenna.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của các thiết bị thông minh và cảm biến không dây đã tạo nên áp lực lớn đối với hạ tầng cấp nguồn truyền thống, thúc đẩy thị trường công nghệ sạc không dây toàn cầu đạt quy mô doanh thu vượt mốc 1 tỷ USD. Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt, các dự án khai thác năng lượng mặt trời không gian thông qua vệ tinh (Solar Power Satellite - SPS) đang trở thành giải pháp chiến lược nhằm đảm bảo an ninh năng lượng với khả năng cung cấp điện liên tục 24/7. Để chuyển đổi năng lượng từ vũ trụ về mặt đất cũng như truyền dẫn điện năng giữa các trạm thu phát cự ly gần, công nghệ truyền công suất không dây (WPT) bằng sóng vi ba tần số 2.45 GHz thuộc băng tần công nghiệp, khoa học và y tế (ISM) sở hữu tiềm năng vượt trội so với công nghệ truyền bằng tia laser.

Trọng tâm then chốt quyết định hiệu suất của toàn bộ chuỗi thu năng lượng không dây chính là thiết bị Rectenna, bao gồm antenna thu sóng, mạng phối hợp trở kháng và bộ chỉnh lưu vi ba sang dòng một chiều DC. Về mặt lý thuyết, các hệ thống Rectenna tối ưu có thể đạt hiệu suất chuyển đổi lên tới 85% tại tần số 2.45 GHz, đồng thời mở ra tiềm năng giảm chi phí vận hành các trạm thu năng lượng không gian khi giá thành phóng vệ tinh tiến dần về mức 400 đến 500 USD/kg.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử tại Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội tập trung giải quyết bài toán nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ chỉnh lưu năng lượng siêu cao tần 2.45 GHz ứng dụng cho hệ thống thu năng lượng cự ly gần. Nghiên cứu xác lập mục tiêu tối ưu hóa phối hợp trở kháng 50 Ohm, nâng cao điện áp DC ngõ ra và kiểm chứng thực nghiệm khả năng thắp sáng tải tiêu thụ thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thuyết điện từ học cổ điển của James Clerk Maxwell, kết hợp cùng các phương trình vi phân truyền sóng của Wheeler và Schneider dùng trong việc xác định các thông số hình học của đường truyền vi dải (microstrip). Trong cấu trúc mạch siêu cao tần, việc điều khiển điện trường và từ trường đòi hỏi đường truyền phải đạt trở kháng đặc tính chuẩn 50 Ohm nhằm triệt tiêu sóng phản xạ, giảm thiểu suy hao năng lượng và tối đa hóa công suất truyền tải đến phần tử chỉnh lưu.

Về mặt linh kiện tích cực, lý thuyết vật lý bán dẫn tiếp giáp kim loại - bán dẫn (Schottky) đóng vai trò nền tảng. Khác với diode tiếp giáp p-n thông thường có điện áp rơi phân cực thuận từ 0.6V đến 0.7V và thời gian hồi phục chậm, diode Schottky sở hữu rào thế tiếp xúc thấp chỉ từ 0.15V đến 0.45V cùng tốc độ chuyển mạch siêu nhanh nhờ cơ chế hạt dẫn đa số. Bên cạnh đó, mô hình mạch chỉnh lưu bội áp Villard và Greinacher được tích hợp để nhân đôi biên độ điện áp DC đầu ra, kết hợp các cấu trúc mạch lọc thông thấp RC, LC và bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW) nhằm san phẳng độ nhấp nhô của dòng điện và loại bỏ sóng hài bậc cao.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn triển khai phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng số giải tích và đo kiểm thực nghiệm. Về công cụ mô phỏng, phần mềm thiết kế vi sóng chuyên dụng ADS (Advanced Design System) của Keysight Technologies được lựa chọn nhờ khả năng phân tích cân bằng điều hòa (Harmonic Balance) vượt trội đối với các phần tử phi tuyến ở dải tần số 2.45 GHz. Mạng phối hợp trở kháng mạch vi dải được tính toán chính xác dựa trên tỷ lệ độ rộng đường dẫn trên độ dày chất nền (W/h) để đáp ứng chuẩn 50 Ohm.

Quá trình thu thập dữ liệu thực nghiệm được thiết kế với cỡ mẫu gồm 11 mức công suất đầu vào phân bố đồng đều từ 10 dBm đến 30 dBm (bước nhảy 2 dBm). Phương pháp chọn mẫu công suất quét toàn diện này phản ánh chính xác dải hoạt động thực tế của các hệ thống thu năng lượng không dây cự ly gần. Mạch in vi dải được gia công thực tế trên chất nền cao tần, sau đó tiến hành đo kiểm thông số điện áp một chiều ngõ ra bằng hệ thống máy phát sóng siêu cao tần chuẩn và đồng hồ vạn năng điện tử có độ chính xác cao trong khung thời gian hoàn thiện năm 2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và thực nghiệm đã đem lại những kết quả kỹ thuật quan trọng:

• Thứ nhất, bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ sử dụng diode Schottky HSMS2820 kết hợp mạch vi dải phối hợp trở kháng 50 Ohm đạt khả năng đáp ứng tần số chuẩn xác tại 2.45 GHz, hạn chế tối đa suy hao phản xạ tại cổng vào RF.
• Thứ hai, tại mức công suất đầu vào 18 dBm (tương đương 63.1 mW), mạch chỉnh lưu đơn tầng sản sinh điện áp một chiều đo được là 2.02V trên tải, cung cấp đủ năng lượng để thắp sáng trực tiếp đèn LED thử nghiệm một cách ổn định.
• Thứ ba, mô hình chỉnh lưu bội áp tích hợp bộ lọc SAW ghi nhận mức tăng trưởng điện áp ngõ ra xấp xỉ 1.8 đến 2 lần so với cấu trúc nửa chu kỳ tại các mức kích thích công suất tương đương, mở rộng đáng kể cự ly thu nhận năng lượng hiệu dụng.
• Thứ tư, giải pháp tích hợp transistor siêu cao tần SGA9189z vào mạch chỉnh lưu công suất lớn cho phép nâng cao khả năng chịu dòng và công suất tiêu thụ trên tải, dù điện áp ngưỡng kích hoạt ban đầu có sự gia tăng khoảng 15% đến 20% so với việc chỉ sử dụng diode đơn lẻ.

Thảo luận kết quả

Sự tương quan giữa mô phỏng trên phần mềm ADS và kết quả đo kiểm thực nghiệm được thể hiện rõ nét qua đường đặc tuyến điện áp DC theo công suất đầu vào. Trong dải công suất quét từ 10 dBm đến 30 dBm, điện áp một chiều đo thực tế tăng trưởng phi tuyến từ mức 0.5V lên hơn 10V, bám sát đường cong mô phỏng lý thuyết với sai số biên độ duy trì ở mức dưới 8%. Sự sai lệch nhỏ này xuất phát từ dung sai chế tạo mạch in vi dải, suy hao điện môi của phiến mạch và điện trở tiếp xúc tại các mối hàn linh kiện dán bề mặt.

Khi trình bày dữ liệu thông qua bảng thống kê đối chiếu và biểu đồ đường biểu diễn điện áp ngõ ra, các kỹ sư có thể dễ dàng nhận thấy sự ưu việt của mạch chỉnh lưu bội áp kết hợp bộ lọc SAW. Bộ lọc SAW giới hạn chặt chẽ dải thông quanh tần số trung tâm 2.45 GHz, giúp năng lượng siêu cao tần đi vào bộ chỉnh lưu được tinh sạch, triệt tiêu các thành phần nhiễu ngoại dải và sóng hài bậc cao phát sinh do tính phi tuyến của diode. So với các cấu trúc chỉnh lưu truyền thống sử dụng linh kiện Silic thông thường vốn chịu suy hao lớn do rào thế cao và thời gian hồi phục dài, việc kết hợp diode Schottky chuyên dụng và đường truyền vi dải đã chứng minh tính khả thi cao trong các ứng dụng thu năng lượng cự ly gần.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu năng và đưa công nghệ chỉnh lưu vi ba vào thương mại hóa thực tiễn, các đơn vị nghiên cứu và phát triển cần triển khai các giải pháp cụ thể:

• Ứng dụng mảng chỉnh lưu đa tầng song song: Các nhóm nghiên cứu điện tử viễn thông cần thiết kế cấu trúc ghép nối nhiều phần tử chỉnh lưu song song để thực hiện cộng công suất một chiều trên tải, đặt mục tiêu nâng công suất tải hữu ích lên hơn 35% trong giai đoạn 2026-2027.
• Chuyển đổi vật liệu chất nền vi dải tổn hao thấp: Các đơn vị chế tạo phần cứng nên thay thế chất nền FR4 bằng các vật liệu cao tần chuyên dụng như Rogers RT/duroid (hằng số điện môi 2.2, hệ số tổn hao điện môi dưới 0.0009) nhằm giảm suy hao chèn tại tần số 2.45 GHz xuống dưới 0.2 dB trong vòng 12 tháng tới.
• Nâng cấp bộ lọc thông dải vi dải tích hợp: Kỹ sư thiết kế cao tần cần tối ưu hóa các mạch lọc triệt sóng hài bậc 2 và bậc 3 trực tiếp trên đường truyền vi dải để nâng hiệu suất chuyển đổi toàn hệ thống Rectenna đạt ngưỡng trên 75% trước năm 2028.
• Xây dựng tiêu chuẩn an toàn bức xạ trường gần: Bộ Khoa học và Công nghệ cùng các cơ quan quản lý viễn thông cần ban hành bộ quy chuẩn kỹ thuật giới hạn mật độ công suất bức xạ sóng vi ba dưới 10 mW/cm2 cho các thiết bị sạc không dây dân dụng trong lộ trình 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho nhiều nhóm chuyên môn:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Nắm bắt phương pháp luận thiết kế mạch siêu cao tần, kỹ thuật mô phỏng phi tuyến trên ADS và quy trình phối hợp trở kháng 50 Ohm trên đường truyền vi dải.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) thiết bị IoT và thiết bị đeo y tế: Khai thác nguyên lý thu gom năng lượng sóng vô tuyến (RF Energy Harvesting) 2.45 GHz để thiết kế các nút cảm biến tự cấp nguồn, không cần thay pin định kỳ.
• Doanh nghiệp công nghệ phát triển hệ sinh thái nhà thông minh: Ứng dụng mô hình truyền năng lượng không dây cự ly gần để cấp nguồn cho các thiết bị gia dụng tiêu thụ điện năng thấp, loại bỏ dây dẫn phức tạp.
• Giảng viên đại học khối kỹ thuật: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo chuyên sâu trong giảng dạy các học phần Kỹ thuật siêu cao tần, Thiết bị bán dẫn vi ba và Hệ thống anten truyền thông.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao tần số 2.45 GHz lại được ưu tiên lựa chọn trong truyền năng lượng không dây?

Tần số 2.45 GHz thuộc băng tần ISM không cần cấp phép, có độ suy hao khí quyển thấp và hiệu suất chuyển đổi vi sóng sang điện năng cao. Mức tần số này tạo ra sự cân bằng tối ưu giữa kích thước hình học của anten thu và hiệu suất truyền tải công suất trường gần.

Sự khác biệt cốt lõi giữa diode Schottky HSMS2820 và diode bán dẫn Silicon là gì?

Diode Schottky HSMS2820 sử dụng tiếp giáp kim loại - bán dẫn có rào thế phân cực thuận rất thấp (khoảng 0.2V đến 0.3V) và thời gian phục hồi cực ngắn, giúp giảm thiểu tổn hao công suất và duy trì hiệu suất đóng cắt tối ưu tại dải tần siêu cao 2.45 GHz.

Bộ lọc SAW đóng vai trò gì trong mạch chỉnh lưu bội áp?

Bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW) có đặc tính chọn lọc tần số cao, giới hạn băng thông nghiêm ngặt quanh điểm 2.45 GHz. Linh kiện này ngăn chặn các sóng hài bậc cao và tạp âm ngoài dải, đảm bảo tín hiệu đưa vào bộ chỉnh lưu đạt độ thuần khiết cao.

Yếu tố kỹ thuật nào chi phối mạnh nhất đến hiệu suất chuyển đổi của bộ chỉnh lưu?

Hiệu suất chuyển đổi RF-DC phụ thuộc chủ yếu vào mức độ chính xác của mạng phối hợp trở kháng 50 Ohm, điện trở nối tiếp và điện dung tiếp giáp của diode, cùng mức công suất sóng vi ba đầu vào kích hoạt điểm làm việc tối ưu của linh kiện.

Giải pháp sử dụng transistor SGA9189z mang lại lợi thế gì so với diode đơn lẻ?

Transistor siêu cao tần SGA9189z cho phép nâng cao khả năng chịu dòng và công suất tiêu thụ tối đa trên tải. Cấu trúc này phù hợp cho các trạm thu năng lượng công suất lớn, dù đòi hỏi mức điện áp kích hoạt đầu vào cao hơn so với mạch diode Schottky.

Kết luận

• Luận văn đã làm chủ quy trình thiết kế và mô phỏng hoàn chỉnh bộ chỉnh lưu vi ba 2.45 GHz phối hợp trở kháng 50 Ohm bằng công cụ Keysight ADS.
• Chế tạo và đo kiểm thành công mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ dùng diode Schottky HSMS2820, đạt điện áp ngõ ra 2.02V và thắp sáng đèn LED tại công suất kích thích 18 dBm.
• Phát triển cấu trúc chỉnh lưu bội áp kết hợp bộ lọc SAW giúp nhân đôi điện áp một chiều thu được, tăng cường cự ly bắt sóng hiệu dụng.
• Thử nghiệm giải pháp chỉnh lưu công suất cao tích hợp transistor vi ba SGA9189z, tạo tiền đề mở rộng công suất tiêu thụ cho các tải phức hợp.
• Cung cấp cơ sở thực nghiệm vững chắc cho việc phát triển các hệ thống Rectenna và thiết bị thu năng lượng không dây tự chủ tại Việt Nam.

Trong lộ trình 1 đến 2 năm tới, hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc ghép mảng antenna phân bố và tối ưu hóa mạch cộng công suất song song. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư viễn thông được khuyến khích tiếp tục phát triển cấu trúc mạch này nhằm hiện thực hóa các giải pháp sạc không dây thương mại trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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.gan 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 .gan 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 (LUAN.gan 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 (LUAN.gan 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 (LUAN.gan 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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. Khởi đầu với điện từ học, trong quá trình nghiên cứu về lĩnh vực truyền tín hiệu không dây, hàng loạt các thí nghiệm đã được tiến hành kể từ đầu thế kỷ 19 nhằm nghiên cứu sự liên quan giữa điện và từ tính dựa vào những dự đoán trước đó.