chương 1 giới thiệu về ngữ cảnh của dé tai, lý do chọn dé tài, dé cập các giải pháp và công trình nghiên cứu có liên quan, từ đó nêu rõ mục tiêu của khóa luận. Tình hình hiện tại Theo Klaus Schwab [2], cách mạng Công nghiệp 4.0 mang lại làn gió mới cho nhân loại và là xu hướng của thế giới hiện nay. oT va công nghệ không dây đang phát triển một cách vượt bật và là xu hướng hiện nay đang rất được các doanh nghiệp về công nghệ quan tâm hang dau dé đầu tư và phát triển. IoT đã tạo ra nhiều thành tựu quan trọng như phát triển công nghiệp, y tế, thành phố thông minh, tự động hóa.
= = (ao = ALERT CENTRIC eg CONNECTED TRANSIT. `” CARS 1e? SMART AUTOMATION Hình 1.2: IoT ứng dung trong y tế.3: Việc nạp hoặc thay thé pin là một vấn đề của WSNs hiện nay. Cùng với sự phát triển ấy, số lượng các thiết bị không dây và các WSNs (Wireless sensor network) cũng tăng lên. Số lượng WSNs càng tăng thì nhu cầu về năng lượng cung cấp cho các thiết bị hoạt động cũng tăng theo.
Tuy nhiên, hiện nay việc cung cấp năng lượng vẫn gặp nhiều trở ngại. Điển hình chính là vấn đề với pin, cụ thê là việc nạp hoặc thay thế, kích thước và trọng lượng. Ngoài ra, pin cũng là nguồn rác thải gây ảnh hưởng tới môi trường [3]. Vì những vấn đề trên, việc tìm ra giải pháp để vượt qua những hạn chế và mặt năng lượng đang được quan tâm đặc biệt.
Giải pháp Môi trường cung cấp những nguồn năng có san rất tiềm năng so với năng lượng dự trữ ở pin sạc. Vì vậy, thu thập năng lượng từ môi trường là một trong những giải pháp tốt hiện nay. Cơ chế hoạt động cơ bản của thu thập năng lượng từ môi trường là thu thập, tích lữu, lưu trữ và quản lý năng lượng đó dé chuyên nó thành năng lượng điện hữu ích cho các mạng cảm biến không dây. Việc sử dụng năng lượng thu thập từ môi trường giảm thiểu chi phí bảo trì và vận hành.
Do đó, các pin trong thiết bị được đặt ở vị trí khó tiếp cận như ứng dụng trong y tế có thé được nạp lại, làm nhỏ đi hoặc có thể tháo pin trong WSNs cũng như trong các thiết bị điện tử cầm tay. Nhiều giải pháp được đặt ra để khắc phục vấn đề về pin sạc như sử dụng pin có tuổi thọ cao hơn hay sử dụng pin có thé sử dung năng lượng tái tạo như pin nặng lượng mặt trời, gió,. Trong số các giải pháp khả thi, công nghệ sạc không dây tao được rất nhiều sự chú ý hiện nay. Không cần bộ sạc dây, an toàn khi sạc pin và có thể sạc cho các thiết bị có kích thước nhỏ đặc biệt được thiết kế ở những môi trường khắc nghiệt, công nghệ sạc không dây đã chứng minh được ưu điểm vượt trội của mình so với các giải pháp khác.
Ngoài ra, cùng với sự phát triển nhanh chóng của các modules không dây tạo ra rất nhiều tần số vô tuyến (RF) phát ra môi trường như WiFi, 4G, 5G, LTE,. Nhờ vào khả năng thu thập những tần số vô tuyến này và chuyền hóa chúng thành năng lượng DC sử dụng cho các thiết bị điện tử [4], rectenna đã và đang tạo được rất nhiều sự chú ý trong phát triển hệ thống truyền tai năng lượng không dây [5]. Gần đây, rất nhiều các thiết kế rectenna được nghiên cứu và phát triển cho nhiều ứng dụng wireless power transfer. Trong bài báo [6], differentially feeding microstrip patch antenna kết nối với differentially driven rectifier được trình bày.
Thiết kế của tác giả đạt 73.9% hiệu suất chuyên hóa năng lượng (PCE: Power Conversion Efficiency) tai 207 uW/cm2 input power density. Trong bài báo [7], ground plane của antenna sử dung triangular slot dé giữ lại các hài mong muốn. Theo các kết quả được báo cáo, hiệu suất đạt 75.043% tại input power 20 dBm. Các bài báo trên có hiệu suất chuyền hóa năng lượng cao.
Tuy nhiên, với việc chỉ hoạt động ở single frequency band sẽ giới han một số ứng dụng. Mặc khác, thiết kế multi-band rectenna chắc chan sẽ thu thập được nhiều nguồn năng lượng hơn [8-15]. Trong bài báo [8], printed monopole antenna hoạt động tại tần số 900 MHz và 1800 MHz được thu nhỏ bởi meander-lines. Rectifier sử dụng dual-stub matching network dé match tín hiệu nhận được từ antenna va rectifier tại hai băng tần.
PCE tối đa đạt được 72% tại 900 MHz và 69% tại 1800 MHz. Tuy nhiên, theo kết quả đo đạc cho thấy, antenna matching không đủ tốt va physical profile của rectenna là hơi cao và điều này sẽ giới hạn một số ứng dụng. Trong bài báo [9], tác gia sử dụng microstrip antenna sử dung differentially driven hoạt động ở dual frequency band 2400 MHz và 5500 MHz. Ở cả hai băng tần, hiệu suất cao nhất của antenna đạt được khoảng 90%.
Tuy nhiên, hiệu suất của rectifier đạt 35% tại tần số thấp và 8% tại tần số cao. Ở bài báo khác [10], mạch rectifier có dual-band patch antenna sử dụng matching network đặc biệt. Dual-band matching network được thiết kế bằng cách kết hợp 4/4 couple line và open stub. Thiết kế đạt được hiệu suất 56.3% tại 2460 MHz và 37.
Tuy nhiên, rectifier cần input power cao dé đạt được hiệu suất và điện áp cao hơn và điều này sẽ làm giảm độ nhạy và giới hạn một sô ứng dụng cân input power nhỏ. Dual-band monopole antenna bao gồm hai radiating arms cho hai tan số [11]. Longer arm được thiết kế cho GSM900 band va shorter arm được thiết kế cho GSM1800 band. Mach rectifier sử dụng dual-band matching network bao gồm multiple sections với một vai transmission lines va stubs.
PCE dat 64% cho tan số thấp và 52% cho tần số cao. Trong bài báo [12], enhanced-gain antenna được tích hợp với mach rectifying. Four-section matching network được sử dụng dé matching gitta antenna va rectifier. Rectenna dat 63% va 69% PCE lần lượt tại 1.
Circular stub được sử dung là radiating element của antenna [13]. Four symmetrical notches được đặt ở các góc của circular slot của ground plane dé cải thiện antenna performance. Rectifier sử dụng symmetrical matching network. Symmetrical two-port rectifier kết hợp sử dung microstrip-line theo dang T-junction.
Hiệu suất đạt 70% tại 1.8 GHz và 68% tại 2. Một ý tưởng khác được báo cáo trong [14] thiết kế miniature rectenna sử dụng lumped component thay vì microstrip line. Theo kết quả mô phỏng, PCE của rectifier đạt 72% tại 915 MHz và 67% tại 2400 MHz. Tuy nhiên, rectifier can input power cao dé đạt được điện áp ra cao hơn.
Trong [15], DC voltage đạt 1.8V với rectenna tích hop array antenna. Tuy nhiên, kích thước của rectenna khá lớn vì sử dung 7-stage Dickson multiplier va điều nay cần nhiều diode. Vì vậy, thiết kế này sẽ làm giá thành cao và không phù hợp cho các ứng dụng nhỏ. Mục tiêu và đối tượng 1.
Mục tiêu Nhìn chung, Rectenna đã và đang nhận được rất nhiều sự quan tâm của thế giới và cũng đã có những công trình nghiên cứu đạt thành quả nhất định. Tuy nhiên, một sô nghiên cứu vẫn còn những hạn chê như việc chỉ hoạt động tại một băng tân, hiệu suất chuyên hóa năng lượng chưa cao hoặc kích thước tông thể lớn làm hạn chê một sô ứng dụng cân kích thước nhỏ. Mục tiêu của nội dung 1: Rectenna hoạt động được tại hai băng tần với tan số 925 MHz và 2450 MHz Antenna thiết kế với cau trúc metal-rimmed có kết qua return loss dưới -10 dB Rectifier có hiệu suất chuyên hóa năng lượng đạt trên 50% ở cả hai băng tần với năng lượng vào thấp. Kích thước mạch nhỏ.
Mục tiêu của nội dung 2: Thiết kế mạch chỉnh lưu dựa trên công nghệ CMOS 0. Mạch có thể hoạt động tại tần số 2.45 GHz Hiệu suất chuyên hóa năng lượng đạt trên 25% Kiểm tra thành công DRC (Design rule check), LVS (Layout vs Schematic). Đối tượng nghiên cứu Đối với nội dung 1, các đối tượng cần tập trung nghiên cứu chính bao gồm: Các cơ sở lý thuyết được áp dụng vào thiết kế và chế tạo mạch rectenna, bao gồm các nội dung sau: Metal-rimmed Antenna, Rectifier, HB (Harmonic Balance) va S-parameter. Cac bước hoàn thiện việc lắp ráp và đo đạc mạch Rectenna.
Đối với nội dung 2, các đối tượng được đầu tư nghiên cứu chính bao gồm: Các cơ sở lý thuyết được áp dụng vào thiết kế cấu trúc vi mạch Rectifier dựa trên công nghệ 0.18 um RF CMOS, bao gồm các nội dung sau đây: khái quát về công nghệ CMOS va CMOS Rectifier, cau trúc SVC, đặc tính các linh kiện sử dụng trong thiết kế, và các hiệu ứng layout trong thiết kế Analog/RF. e - Nội dung thư viện gpdk180_v3.18 um RF CMOS cung cấp bởi hãng Keysight Technology được sử dụng vào thiết kế. e Layout mạch và các bước đánh giá DRC, LVS sau khi hoàn thành layout. Thuận lợi và khó khăn 1.
Thuận lợi Đối với nội dung 1, mặc dù các linh kiện sử dụng cho mạch rectifler từ hãng Wiirth Elektronik, tuy nhiên quá trình vận chuyển nhanh không có sự chậm trễ và dịch vụ gia công mạch PCB ngoài nước góp phần thúc đây thời gian hoàn thành đề tài. Hơn nữa, nhờ sự giúp đỡ của Thạc sĩ Nguyễn Minh Thiện, giảng viên trường Đại học Quốc tế - ĐHQG TP.HCM, nhóm được cung cấp kiến thức và hướng dẫn sử dụng phòng lab chuyên dụng MMIC tại trường Đại học Quốc tế. Đối với nội dung 2, nhờ có phần mềm ADS và máy ảo Cadence được khoa cung cấp đã tạo thuận lợi cho nhóm nghiên cứu và phát triển nội dung thiết kế vi mạch. Khó khăn Đối với nội dung 1, vì các mạch thiết kế hoạt động ở tần số cao lên đến GHz, nên rất khó đề đáp ứng kết quả thực tế tương ứng với mô phỏng bởi đặc tính matching trên transmission line của mạch.
Cũng chính vì mang đặc thù là hoạt động với tín hiệu tần số cao, các thành phần RFIC rất nhạy cảm với tác động từ bên ngoài, nên rat dé hư hỏng nêu không giữ trên tay cân than. Đối với nội dung 2, sự hạn chế về kiến thức chuyên môn thiết kế vi mạch cao tần cũng gây không ít khó khăn cho việc nghiên cứu của nhóm. Quan trọng nhất chính là thư viện sử dụng gpdk180_v3.2 sử dụng trong khóa luận. Vì đòi hỏi sự đúng đắn và tính thống nhất thư viện giữa ADS va Cadence nên nhóm đã mat nhiêu thời gian đê tìm kiêm.
THIẾT KE CHE TẠO VÀ ĐO DAC RECTENNA 2 Nội dung chương 2 trình bày thiết kế Rectenna với hai thành phan chính: Antenna va Rectifier. Các kết quả mô phỏng và những thông số ảnh hưởng đến Rectenna sẽ được trình bày. Phương pháp do đạc Rectenna và các kết qua đo đạc duoc so sánh với kết quả mô phỏng để cho thấy tính nhất quán của hai kết quả.