Luận Văn Thạc Sĩ Về Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Nạp Điện Không Dây Cho Điện Thoại Di Động

• Người hướng dẫn: GS.TS Bạch Gia Dương
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế, Chế Tạo Bộ Nạp Điện Không Dây Cho Điện Thoại Di Động
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN
• 1.1. Truyền năng lượng không dây
• 1.2. Lịch sử hệ thống truyền năng lượng không dây
• 1.3. Đặc điểm chung của hệ thống
• 1.4. Mô hình hệ thống truyền năng lượng không dây
• 1.5. Tổng hợp các nghiên cứu phần phát của WPT
• 1.6. Tìm hiểu Anten mảng vi dải nhiều phần tử
• 1.7. Tổng hợp các nghiên cứu về Rectenna
• 1.8. Các nghiên cứu về rectenna
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN
• 2.1. Cơ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần
• 2.2. Giới thiệu chung
• 2.3. Các tham số cơ bản
• 2.4. Kỹ thuật phối hợp trở kháng
• 2.5. Khái quát chung. Phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung. Phối hợp trở kháng dùng dây chêm
• 2.6. Phối hợp trở kháng dùng đoạn một phần tư bước sóng λ/4. Anten mảng vi dải nhiều phần tử
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỐI PHÁT-THU CỦA BỘ NẠP ĐIỆN KHÔNG DÂY CHO ĐIỆN THOẠI
• 3.1. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại đệm dùng chip SHF-0189
• 3.2. Chip cao tần SHF-0189
• 3.3. Phối hợp trở kháng cho chip SHF-0189
• 3.4. Đo đạc kết quả và nhận xét
• 3.5. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ khuếch đại công suất dùng chip SHF-0589
• 3.6. Chip cao tần SHF-0589
• 3.7. Phối hợp trở kháng cho chip SHF-0589
• 3.8. Đo đạc kết quả
• 3.9. Thực hiện ghép nối bộ khuếch đại đệm và bộ khuếch đại công suất
• 3.10. Thiết kế anten mảng vi dải
• 3.11. Yêu cầu thiết kế
• 3.12. Mô phỏng anten. Kết quả mô phỏng
• 3.13. Chế tạo và đo đạc anten
• 3.14. Nghiên cứu, thiết kế mạch chỉnh lưu Rectenna
• 3.15. Mạch nhân áp phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây chêm đơn hở mạch
• 3.16. Thử nghiệm truyền năng lượng không dây
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về Nghiên cứu Bộ Nạp Điện Không Dây Cho Điện Thoại Di Động

Nghiên cứu về bộ nạp điện không dây cho điện thoại di động đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghệ. Công nghệ này không chỉ giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào dây dẫn mà còn mang lại sự tiện lợi cho người dùng. Việc phát triển các hệ thống nạp điện không dây sử dụng sóng siêu cao tần (UHF) đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Mục tiêu chính là tạo ra một hệ thống có thể truyền tải năng lượng hiệu quả và an toàn cho các thiết bị di động.

1.1. Lịch sử và sự phát triển của công nghệ nạp điện không dây

Công nghệ nạp điện không dây đã có lịch sử phát triển lâu dài, bắt đầu từ những năm 1891 với Nikola Tesla. Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh khả năng truyền năng lượng qua khoảng cách xa, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong đời sống hàng ngày.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu bộ nạp điện không dây

Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất nạp điện mà còn góp phần vào việc phát triển các thiết bị di động thông minh hơn. Việc áp dụng công nghệ này có thể giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên cứu Bộ Nạp Điện Không Dây

Mặc dù công nghệ nạp điện không dây đã có những bước tiến đáng kể, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua. Một trong những vấn đề lớn nhất là hiệu suất truyền tải năng lượng. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu suất truyền tải năng lượng qua sóng siêu cao tần vẫn chưa đạt yêu cầu tối ưu. Ngoài ra, việc đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét.

2.1. Hiệu suất truyền tải năng lượng trong nạp điện không dây

Hiệu suất truyền tải năng lượng là một trong những yếu tố quyết định đến sự thành công của công nghệ nạp điện không dây. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu suất này thường thấp hơn so với mong đợi, gây khó khăn trong việc ứng dụng thực tế.

2.2. An toàn trong việc sử dụng công nghệ nạp điện không dây

An toàn là một trong những mối quan tâm hàng đầu khi phát triển công nghệ nạp điện không dây. Cần có các tiêu chuẩn và quy định rõ ràng để đảm bảo rằng việc sử dụng công nghệ này không gây hại cho sức khỏe con người.

III. Phương pháp Nghiên cứu và Thiết kế Bộ Nạp Điện Không Dây

Để phát triển một bộ nạp điện không dây hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu và thiết kế hiện đại. Việc sử dụng các linh kiện bán dẫn tiên tiến và thiết kế anten mảng vi dải nhiều phần tử là những yếu tố quan trọng. Các nghiên cứu cũng cần tập trung vào việc tối ưu hóa các tham số kỹ thuật để đạt được hiệu suất cao nhất.

3.1. Thiết kế anten mảng vi dải cho bộ nạp điện không dây

Anten mảng vi dải nhiều phần tử đóng vai trò quan trọng trong việc định hướng chùm tia sóng vi ba. Thiết kế này giúp tăng cường hiệu suất thu phát năng lượng, từ đó nâng cao hiệu quả của hệ thống nạp điện không dây.

3.2. Sử dụng linh kiện bán dẫn trong bộ nạp điện không dây

Linh kiện bán dẫn như chip SHF-0189 và SHF-0589 được sử dụng để khuếch đại tín hiệu, giúp tăng cường khả năng truyền tải năng lượng. Việc lựa chọn linh kiện phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống.

IV. Ứng dụng Thực Tiễn của Bộ Nạp Điện Không Dây

Công nghệ nạp điện không dây đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ điện thoại di động đến các thiết bị điện tử khác. Việc sử dụng công nghệ này không chỉ mang lại sự tiện lợi mà còn giúp tiết kiệm thời gian cho người dùng. Các sản phẩm như đế sạc không dây cho smartphone đang trở thành xu hướng phổ biến trên thị trường.

4.1. Ứng dụng trong điện thoại di động

Nhiều hãng điện thoại lớn đã tích hợp công nghệ nạp điện không dây vào sản phẩm của mình. Điều này giúp người dùng dễ dàng sạc pin mà không cần phải sử dụng dây cáp, mang lại sự tiện lợi tối đa.

4.2. Ứng dụng trong các thiết bị điện tử khác

Ngoài điện thoại di động, công nghệ nạp điện không dây còn được áp dụng cho các thiết bị như đồng hồ thông minh, tai nghe không dây và nhiều thiết bị điện tử khác, mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghệ.

V. Kết luận và Tương lai của Nghiên cứu Bộ Nạp Điện Không Dây

Nghiên cứu về bộ nạp điện không dây cho điện thoại di động đang mở ra nhiều triển vọng mới cho ngành công nghệ. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, trong tương lai, việc nạp điện không dây sẽ trở nên phổ biến hơn và có thể ứng dụng cho nhiều thiết bị khác nhau. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và an toàn của công nghệ này.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ nạp điện không dây

Công nghệ nạp điện không dây có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong tương lai. Nhiều nghiên cứu đang được thực hiện để cải thiện hiệu suất và khả năng ứng dụng của công nghệ này.

5.2. Những thách thức cần vượt qua trong tương lai

Mặc dù có nhiều triển vọng, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải giải quyết, bao gồm hiệu suất truyền tải và an toàn cho người sử dụng. Cần có sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và các doanh nghiệp để phát triển công nghệ này.

Tổng quan nghiên cứu

Truyền năng lượng không dây (Wireless Power Transmission - WPT) là một lĩnh vực công nghệ đang phát triển mạnh mẽ, với tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống hàng ngày. Theo ước tính, công nghệ này có thể giúp loại bỏ sự phụ thuộc vào dây dẫn vật lý, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sạc pin các thiết bị di động, robot tự động và các thiết bị gia dụng. Luận văn tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ nạp điện không dây cho điện thoại di động, sử dụng sóng siêu cao tần (S-band, 2.45 GHz) nhằm truyền năng lượng ở khoảng cách gần với hiệu suất cao.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng mô hình hệ thống truyền năng lượng không dây gồm bộ khuếch đại đệm, bộ khuếch đại công suất, anten mảng vi dải nhiều phần tử và mạch chỉnh lưu Rectenna, hoạt động ổn định ở tần số 2.45 GHz. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội trong giai đoạn 2018-2019. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển công nghệ truyền năng lượng không dây hiệu quả, góp phần thúc đẩy ứng dụng trong sạc pin không dây cho thiết bị di động, giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn điện truyền thống và nâng cao trải nghiệm người dùng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật siêu cao tần (microwave engineering) và truyền năng lượng không dây, bao gồm:

• Lý thuyết truyền năng lượng không dây (WPT): Truyền năng lượng qua sóng điện từ với định hướng cao, sử dụng anten mảng vi dải nhiều phần tử để điều chỉnh chùm tia năng lượng, tối ưu hiệu suất truyền tải.

• Kỹ thuật phối hợp trở kháng: Sử dụng các mạch phối hợp trở kháng dạng L, dây chêm và đoạn một phần tư bước sóng (λ/4) để giảm tổn hao phản xạ, đảm bảo công suất truyền tải tối đa. Giản đồ Smith được áp dụng để thiết kế và mô phỏng mạch phối hợp trở kháng.

• Khái niệm Rectenna: Thiết bị thu sóng vi ba và chuyển đổi thành điện một chiều, bao gồm anten thu và mạch chỉnh lưu, là thành phần quan trọng trong hệ thống thu năng lượng không dây.

• Anten mảng vi dải nhiều phần tử: Gồm nhiều phần tử anten mạch dải được sắp xếp theo quy tắc nhất định, cho phép điều khiển hướng chùm tia vi ba, tăng độ định hướng và hiệu suất thu phát.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các thông số kỹ thuật của chip khuếch đại cao tần SHF-0189 và SHF-0589, các mô hình mạch điện và anten được mô phỏng bằng phần mềm ADS2016 và CST Microwave Studio. Cỡ mẫu nghiên cứu là các mô-đun mạch khuếch đại và anten thực tế được chế tạo và đo đạc tại phòng thí nghiệm Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, Đại học Công Nghệ.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Thiết kế mạch phối hợp trở kháng dựa trên giản đồ Smith, kết hợp các phần tử tập trung và đoạn dây truyền vi dải.

• Mô phỏng hệ số phản xạ S11, hệ số khuếch đại S21 và các tham số S khác để đánh giá hiệu suất mạch.

• Chế tạo thực nghiệm các mô-đun khuếch đại và anten, đo đạc tham số bằng máy phân tích mạng và máy phân tích phổ.

• Thử nghiệm truyền năng lượng không dây với mạch chỉnh lưu Rectenna để đánh giá hiệu suất chuyển đổi RF-DC.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, từ thiết kế, mô phỏng, chế tạo đến đo đạc và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Bộ khuếch đại đệm dùng chip SHF-0189 hoạt động ổn định ở tần số 2.45 GHz với hệ số khuếch đại đạt khoảng 10 dB và băng thông từ 2.4 đến 2.5 GHz. Tham số S11 đo được là -14 dB, cho thấy mạch phối hợp trở kháng tốt, giảm thiểu phản xạ sóng. Kết quả đo thực tế tương đồng với mô phỏng, khẳng định tính khả thi của thiết kế.

2. Bộ khuếch đại công suất dùng chip SHF-0589 đạt công suất đầu ra tối đa 2W (33 dBm) tại tần số 2.45 GHz, với hệ số khuếch đại trên 10 dB. Mạch phối hợp trở kháng lối vào và lối ra được thiết kế tương tự bộ khuếch đại đệm, đảm bảo hiệu suất cao và ổn định nhiệt.

3. Anten mảng vi dải nhiều phần tử được thiết kế với 8 phần tử, mô phỏng cho thấy hệ số phản xạ S11 dưới -20 dB tại 2.45 GHz, độ lợi (Gain) đạt khoảng 12 dBi, hướng tính rõ ràng, phù hợp cho việc định hướng chùm tia năng lượng trong hệ thống truyền năng lượng không dây.

4. Mạch chỉnh lưu Rectenna sử dụng mạch nhân áp phối hợp trở kháng kiểu đoạn dây chêm đơn hở mạch, chuyển đổi hiệu quả sóng vi ba thành điện một chiều. Thử nghiệm truyền năng lượng không dây cho thấy hiệu suất chuyển đổi đạt khoảng 70% ở khoảng cách gần, đủ để sạc pin điện thoại di động.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc phối hợp trở kháng chính xác là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hiệu suất truyền năng lượng không dây. Việc sử dụng giản đồ Smith trong thiết kế mạch phối hợp trở kháng giúp giảm thiểu sóng phản xạ, tăng công suất truyền tải đến tải. So với các nghiên cứu trước đây, hệ thống này đạt hiệu suất cao hơn nhờ kết hợp mạch khuếch đại công suất và anten mảng vi dải nhiều phần tử.

Các kết quả đo đạc thực tế gần sát với mô phỏng, chứng tỏ tính chính xác của phương pháp thiết kế và mô phỏng. Việc chế tạo thành công bộ khuếch đại công suất 2W và anten mảng vi dải 8 phần tử mở ra khả năng ứng dụng trong các hệ thống truyền năng lượng không dây công suất nhỏ đến trung bình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tham số S11, S21 theo tần số, biểu đồ giản đồ Smith thể hiện quá trình phối hợp trở kháng, và bảng so sánh hiệu suất chuyển đổi của mạch Rectenna ở các khoảng cách khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa mạch phối hợp trở kháng bằng cách áp dụng các kỹ thuật điều chỉnh tự động để duy trì hiệu suất cao trong điều kiện thay đổi môi trường và tải, nhằm cải thiện tỉ số tín hiệu trên tạp nhiễu (SNR).

2. Phát triển anten mảng vi dải với số phần tử lớn hơn để tăng độ định hướng và công suất truyền tải, hướng tới ứng dụng truyền năng lượng không dây ở khoảng cách xa hơn, đồng thời giảm thiểu nhiễu sóng không mong muốn.

3. Nâng cao hiệu suất mạch chỉnh lưu Rectenna bằng cách nghiên cứu các cấu trúc mạch mới, vật liệu bán dẫn tiên tiến nhằm tăng hiệu suất chuyển đổi RF-DC trên dải tần rộng và công suất cao hơn.

4. Triển khai thử nghiệm thực tế trong môi trường đa dạng như trong nhà, ngoài trời và các điều kiện nhiễu sóng khác nhau để đánh giá độ ổn định và khả năng ứng dụng thực tiễn của hệ thống.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 12-18 tháng, phối hợp giữa các nhóm nghiên cứu kỹ thuật điện tử, viễn thông và vật liệu bán dẫn, nhằm hoàn thiện hệ thống truyền năng lượng không dây cho điện thoại di động và các thiết bị di động khác.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Có thể học hỏi phương pháp thiết kế mạch khuếch đại công suất, phối hợp trở kháng và anten mảng vi dải, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Kỹ sư phát triển sản phẩm công nghệ truyền năng lượng không dây: Áp dụng các giải pháp thiết kế mạch và anten để phát triển các thiết bị sạc không dây hiệu quả, giảm kích thước và chi phí sản xuất.

3. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực vi sóng và truyền năng lượng không dây: Tham khảo các kết quả thực nghiệm và mô phỏng để phát triển các hệ thống truyền năng lượng công suất lớn hơn hoặc truyền tải ở khoảng cách xa hơn.

4. Doanh nghiệp công nghệ và startup trong lĩnh vực thiết bị di động: Tận dụng kiến thức để phát triển sản phẩm sạc không dây tiện lợi, nâng cao trải nghiệm người dùng và mở rộng thị trường ứng dụng.

Câu hỏi thường gặp

1. Truyền năng lượng không dây hoạt động như thế nào?
   Truyền năng lượng không dây sử dụng sóng điện từ để truyền công suất từ bộ phát đến bộ thu mà không cần dây dẫn, trong đó anten mảng vi dải điều chỉnh hướng chùm sóng để tăng hiệu suất truyền tải.

2. Tại sao cần phối hợp trở kháng trong hệ thống WPT?
   Phối hợp trở kháng giúp giảm sóng phản xạ trên đường truyền, tối đa hóa công suất truyền đến tải, từ đó nâng cao hiệu suất và giảm tổn hao năng lượng.

3. Hiệu suất của bộ chỉnh lưu Rectenna đạt được là bao nhiêu?
   Trong nghiên cứu, mạch Rectenna đạt hiệu suất chuyển đổi khoảng 70% ở khoảng cách gần, đủ để cung cấp năng lượng cho các thiết bị di động nhỏ.

4. Chip SHF-0589 có ưu điểm gì trong thiết kế bộ khuếch đại công suất?
   Chip SHF-0589 có công suất đầu ra tối đa 2W, dải tần rộng từ DC đến 4.5 GHz, hiệu năng cao và giá thành thấp, phù hợp cho ứng dụng truyền năng lượng không dây công suất nhỏ đến trung bình.

5. Anten mảng vi dải nhiều phần tử có tác dụng gì?
   Anten mảng vi dải nhiều phần tử giúp điều khiển hướng chùm sóng vi ba, tăng độ định hướng và độ lợi anten, từ đó nâng cao hiệu suất truyền và thu năng lượng không dây.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế và chế tạo thành công bộ khuếch đại đệm và công suất hoạt động ở tần số 2.45 GHz với hệ số khuếch đại trên 10 dB và công suất đầu ra 2W.
• Anten mảng vi dải 8 phần tử được mô phỏng và chế tạo, đạt độ lợi khoảng 12 dBi, phù hợp cho hệ thống truyền năng lượng không dây.
• Mạch chỉnh lưu Rectenna chuyển đổi hiệu quả sóng vi ba thành điện một chiều với hiệu suất khoảng 70% ở khoảng cách gần.
• Phương pháp phối hợp trở kháng sử dụng giản đồ Smith và mạch phối hợp dạng L, dây chêm, đoạn λ/4 giúp tối ưu hiệu suất truyền tải.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các hệ thống truyền năng lượng không dây công suất lớn hơn và khoảng cách xa hơn, ứng dụng trong công nghiệp và đời sống.

Tiếp theo, cần triển khai tối ưu hóa mạch, mở rộng anten mảng và thử nghiệm thực tế trong môi trường đa dạng. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển các giải pháp trong luận văn để thúc đẩy công nghệ truyền năng lượng không dây tại Việt Nam.