LỜI MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hiện nay thế giới đang khai thác mạnh các nguồn năng lƣợng dựa trên nhiên liệu hóa thạch nhƣ là than đá, dầu mỏ, khí đốt… phục vụ đời sống, sinh hoạt, sản xuất của con ngƣời. Tuy nhiên, các dạng năng lƣợng này đều có hạn, có khả năng cạn kiệt trong thời gian tới. Chính vì thế, các nguồn năng lƣợng sạch, tái tạo đang rất đƣợc quan tâm khai thác nhƣ năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió, nhiên liệu sinh học, pin nhiên liệu.
Để có thể đảm bảo an ninh năng lƣợng lâu dài cho loài ngƣời, từ nhiều thập kỷ nay, các nhà khoa học đã và đang tập trung tìm kiếm các nguồn năng lƣợng mới, trong đó có nguồn năng lƣợng mặt trời truyền không dây từ vũ trụ về mặt đất bằng công nghệ chùm tia vi ba và laser công suất cao. Để tiếp cận vấn đề khai thác năng lƣợng mặt trời, luận văn tập trung nghiên cứu với đề tài “ Nghiên cứu truyền năng lƣợng không dây ở dải sóng 2,45 GHz”. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Để truyền đƣợc nguồn năng lƣợng từ vũ trụ về trái đất, có nhiều phƣơng pháp để thực hiện tùy thuộc và bán kính truyền dẫn, trƣờng gần hay trƣờng xa. Với trƣờng xa, sử dụng công nghệ chùm laser công suất cao hoặc vi ba.
Nhƣng theo nghiên cứu của các nhà khoa học, sử dụng chùm laser đạt hiệu suất thấp hơn sử dụng chùm tia vi ba. Mặt khác, dải tần để truyền dẫn năng lƣợng không dây từ vũ trụ về trái đất là dƣới 2,45GHz hoặc 2,45GHz – 5,5GHz, tuy nhiên cũng theo nghiên cứu cho thấy truyền ở tần số cao 5,5GHZ thì kích thƣớc hệ thống rectenna nhỏ gọn, đơn giản nhƣng hiệu suất lại thấp, còn truyền ở tần số thấp hơn 2,45 thì hiệu suất cao hơn nhƣng kích thƣớc rectenna lại lớn. Để cân bằng giữa hiệu suất và kích thƣớc hệ thống antenna thu luận văn chọn giải pháp truyền năng lƣợng không dây với tần số truyền là 2,45GHz. Nguyễn Thị Huyền 1 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz Một vấn đề nữa là do truyền ở trƣờng xa thì búp sóng loe ra dẫn đến khó điều chỉnh, nên luận văn xây dựng mô hình ở trƣờng gần và tập trung thiết kế tuyến phát của mô hình truyền năng lƣợng không dây ở tần số 2,45GHz.
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để thực hiện chuyên đề trên, phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc sử dụng gồm: Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phƣơng pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết, cập nhật và xử lý tài liệu liên quan về thiết kế mạch điện siêu cao tần, nghiên cứu phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS 2009; Phƣơng pháp nghiên cứu thực tiễn: Sử dụng phƣơng pháp quan sát khoa học để tìm hiểu mạch khuếch đại tạp công suất đã có trên cơ sở đó thiết kế mạch khuếch đại công suất 45W với các thông số Gain, NF, phối hợp trở kháng tốt hơn; Phƣơng pháp mô phỏng: Trên cơ sở thiết kế đã có thực hiện mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng ADS, sau khi đạt chỉ tiêu kỹ thuật sẽ tiến hành chế tạo thử nghiệm mạch khuếch đại công suất 45W; 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4.1 Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu về mô hình truyền năng lƣợng không dây SPS. - Nghiên cứu kỹ thuật phối hợp trở kháng trong kỹ thuật siêu cao tần - Nghiên cứu phần mềm mô phỏng ADS và transistor PTFA - 240451E và SPF 3043 4.2 Thiết kế hệ thống - Thiết kế và mô phỏng tầng kích công suất - Mô phỏng tuyến phát dùng LDMOS - Thiết kế layout cho mạch khuếch đại - Lắp ráp và đo thử nghiệm trên máy phân tích mạng Advantest R3765CG – Network analyzer 300 KHz – 3,8 GHz Nguyễn Thị Huyền 2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz 5. KẾT CẤU LUẬN VĂN Nội dung luận văn bao gồm ba chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về truyền năng lƣợng không dây Chƣơng 2: L thuyết chung về kỹ thuật siêu cao tần Chƣơng 3: Chế tạo bộ khuếch đại 45W và lựa chọn giải pháp truyền năng lƣợng không dây Nguyễn Thị Huyền 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY Truyền năng lƣợng không dây hay truyền công suất không dây WPT (Wireless Power Transmission) là quá trình truyền năng lƣợng cao từ một điểm đến một điểm nào đó không cần dây dẫn.
Truyền năng lƣợng không dây, về cơ bản khác với truyền thông tin không dây trong viễn thông (nhƣ radio, TV, Rada, Mobilphone), ở đó thông tin đƣợc biến điệu truyền đi mọi hƣớng, tín hiệu có trong một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở đầu thu thƣờng rất nhỏ (cỡ nW đến µW)… còn trong lĩnh vực truyền năng lƣợng không dây thì độ lớn và hiệu suất truyền năng lƣợng là quan trọng nhất, năng lƣợng chỉ truyền theo một chiều xác định. Phần lớn các hệ thống truyền năng lƣợng không dây trƣờng gần dựa trên nguyên l cảm ứng từ và cảm ứng điện từ. Về sau công nghệ truyền năng lƣợng không dây trƣờng xa đƣợc thực hiện bằng nguyên l 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 LỊCH SỬ TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY Về mặt lịch sử truyền năng lƣợng không dây đƣợc nghiên cứu triển khai rất sớm, cách đây khoảng 150 năm, bắt đầu từ các khái niệm và tƣởng về truyền năng lƣợng mà không cần dùng đƣờng dây tải điện cao thế do Nicolai Tesla khởi xƣớng. Tuy nhiên từ đó đến nay kết quả l thuyết và thực nghiệm về truyền công suất không dây đã không tiến bộ nhiều so với công nghệ truyền thông tin do thiếu mô hình l thuyết và công nghệ mới phù hợp.
Nikola Tesla là ngƣời phát minh ra radio, ông đƣợc coi là cha đẻ của truyền dẫn không dây. Ông là một trong những ngƣời đầu tiên đƣa ra ý tƣởng truyền năng lƣợng không dây và ông đã chứng minh cũng nhƣ rất tin tƣởng vào việc truyền năng lƣợng điện không dây từ rất sớm vào năm 1891. Năm 1893 Nikola Tesla đã biểu diễn sự thắp sáng không dây cho các bóng đèn huỳnh quang tại triển lãm Chicago. Tháp Nguyễn Thị Huyền 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz Wardenclyffe đƣợc ông thiết kế chủ yếu cho việc truyền năng lƣợng điện không dây hơn là truyền điện tín.
Năm 1900 với việc triển khai truyền năng lƣợng không dây qua các tháp cao ở New York, làm sáng một số bóng đèn huỳnh quang ở khoảng cách 26 hải l (cỡ 40 km), N.Tesla đã thu đƣợc một số kết quả đáng khích lệ trong lĩnh vực truyền không dây. Một số nhà nghiên cứu sau đó đã triển khai nhiều nghiên cứu thí nghiệm về truyền năng không dây trƣờng gần dùng để nạp điện cho một số thiết bị nhƣ máy điện, ôtô, xe điện, máy tính, điện thoại di động.1 Tháp Wardenclyffe do Nikola Tesla xây dựng [9] Năm 1961 Brown đã đăng bài báo đầu tiên đề xuất việc truyền năng lƣợng bằng sóng vi ba và năm 1964 ông đã trình diễn mô hình máy bay trực thăng thu năng lƣợng từ chùm tia vi ba để bay ở tần số 2,45GHz trong dải tần dành cho các ứng dụng về công nghiệp, nghiên cứu khoa học và y tế, chúng ta gọi là băng tần ISM (Industry, Science and Medical). Nguyễn Thị Huyền 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz Năm 1973 Glaser Peter đã xây dựng mô hình hệ truyền năng lƣợng không dây bằng chùm tia Vi ba nhƣ hình vẽ dƣới: Hình 1.2 Hình trong patent gốc về phương pháp truyền năng lượng không dây từ vũ trụ về mặt đất của Peter Glaser (1973) a); nguyên lý mô hình hệ truyền năng lượng không dây bằng chùm tia i ba b c); v hệ thống rectena thu chùm tia i ba trên mặt đất chuyển sang dạng điện năng d) Sau patent của Glaser 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 đƣợc triển khai với đầu tƣ hàng chục tỷ USD và đã thu đƣợc nhiều kết quả tốt.
Việc thử nghiệm truyền không dây với công suất vài chục kW đã đƣợc thực hiện năm 1975 tại Goldstone ở California và năm 1997 ở Grand Bassin trên đảo Reunion. Năm 2001, công ty Splashpower ở Anh đã sử dụng các cuộn dây cộng Hƣởng trong một mặt phẳng để truyền hàng chục Watt vào các thiết bị khác nhau bao gồm cả đèn chiếu sáng, điện thoại di động, iPod,. Năm 2004 phƣơng thức truyền công suất cảm ứng đã đƣợc sử dụng khá rộng rãi cho nhiều công đoạn khác nhau, doanh thu cho nạp điện không dây đạt khoảng 1 tỷ USD đối với các lĩnh vực bán dẫn, LCD và chế tạo màn hình plasma. Sau các nghiên cứu l thuyết tƣờng minh hơn và nhất là sau các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu tại Nguyễn Thị Huyền 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz MIT, vấn đề này mới đƣợc nghiên cứu mạnh mẽ, nhiều công ty lớn nhƣ Samsung, Intel đã nhanh chóng đầu tƣ và đạt đƣợc rất nhiều kết quả ấn tƣợng.
Năm 2007 một nhóm nghiên cứu do giáo sƣ Marin Soljacic ở MIT đã truyền năng lƣợng không dây để thắp sáng một đèn điện 60W với hiệu suất 40% với khoảng cách 2m, sử dụng hai cuộn dây có đƣờng kính 60 cm, nhóm đã phát triển lý thuyết truyền năng lƣợng không dây tƣờng minh hơn. Năm 2008 Intel đã lặp lại các thí nghiệm của Tesla trong năm 1894 và của giáo sƣ John Boys trong năm 1988 bằng cách cấp điện không dây cho một bóng đèn ở cự ly gần với hiệu suất đạt 75%. Năm 2010 tập đoàn Haier biểu diễn TV với màn hình LCD hoàn toàn không dây đầu tiên trên thế giới tại hội chợ CES 2010 trên cơ sở các nghiên cứu của nhóm của giáo sƣ Marin Soljacic ở MIT về WPT và giao diện số không dây trong nhà.2 KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC ĐIỂM VỀ TRƢỜNG GẦN VÀ TRƢỜNG XA 1.1 Khái niệm Sóng điện từ do antenna phát ra có thể phân chia ra một số vùng miền khác nhau phụ thuộc cấu trúc antenna, tần số công suất của sóng và sự tƣơng tác của chúng với không gian truyền dẫn.