Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo anten và bộ lọc 2 45GHz dùng cho hệ thống thu năng lượng ở khoảng cách gần

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

CAO QUANG HOÀNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ANTEN VÀ
BỘ LỌC 2.45GHz DÙNG CHO HỆ THỐNG THU
NĂNG LƢỢNG Ở KHOẢNG CÁCH GẦN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

CAO QUANG HOÀNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ANTEN VÀ
BỘ LỌC 2.45GHz 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

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.BẠCH GIA DƢƠNG

Hà Nội - 2015


Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN

2015
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:
Bản luận văn tốt nghiệp này công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, đƣợc thực hiện
dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Bạch Gia
Dƣơng.
Các số liệu, kết luận của luận văn là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu những mô
hình, thành quả đã đạt đƣợc của các nƣớc trên thế giới và trải nghiệm của bản thân, chƣa
từng đƣợc công bố dƣới bất kỳ hình thức nào trƣớc khi bảo vệ tại “Hội đồng đánh giá
luận văn thạc sĩ kỹ thuật”.
Hà Nội, ngày 27 tháng 04 năm 2015
Ngƣời cam đoan

Cao Quang Hoàng

1


Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN

2015
LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, trƣớc hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới

PGS.TS.Bạch Gia Dƣơng đã tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn và giúp cho em có những kiến
thức cũng nhƣ kinh nghiệm quý báu trong thời gian đƣợc 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 trƣờng 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 trƣờng.
Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian thực hiện khóa luận có hạn, vốn kiến
thức nắm đƣợc chƣa nhiều nên luận văn còn nhiều hạn chế. Em rất mong nhận đƣợc
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

năm 2015

Học viên thực hiện
Cao Quang Hoàng

2


Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN

2015

TÓM TẮT NỘI DUNG
Năng lƣợng không dây ngày càng trở nên phổ biến trong thế giới hiện đại, trong
khi nhu cầu về năng lƣợng điện ngày càng tăng, các tài nguyên nguồn năng lƣợng ngày
càng giảm đi thì việc sử dụng năng lƣợng không dây có thể trở thành một điều cần thiết.

Công nghệ truyền năng lƣợng không dây sử dụng một thiết bị gọi là Rectenna
Rectenna đƣợc kết hợp giữa từ rectifier (thiết bị thƣờng đƣợc sử dụng để chuyển đổi điện
xoay chiều AC sang điện một chiều DC trong đó tín hiệu AC đƣợc thu từ antenna.
Nguyên lý của hệ thống là năng lƣợng mặt trời qua hệ thống Solar Power Satellite
sau đó truyền về trái đất bằng sóng siêu cao tần. Tại nơi nhận, một anten thu đƣợc đặt sau
đó năng lƣợng siêu cao tần này đƣợc chuyển đổi thành điện năng để sử dụng.
Hệ thống Rectenna theo nguyên lý nói trên có thể đƣợc áp dụng cho các thiết bị
tiết kiệm năng lƣợng trong hộ gia đình nhƣ sử dụng cho Tivi, Laptop, sạc không dây cho
điện thoại, máy tính bảng hay các ứng dụng đặc thù nhƣ máy bay không ngƣời láy sử
dụng năng lƣợng không dây phục vụ khảo sát địa hình, tìm kiếm, cứu nạn hay trinh sát
điện tử trong lĩnh vực quốc phòng.
Trong khuôn khổ luận văn này, cùng với việc nghiên cứu tổng quan về hệ thống
truyền năng lƣợng không dây, luận văn tập trung nghiên cứu về công nghệ anten và mảng
anten nhiều phần tử có định hƣớng và bộ lọc siêu cao tần hoạt động ở tần số 2.45 GHz sử
dụng cho việc truyền năng lƣợng không dây ở khoảng cách gần.

3


Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN

2015

MỤC LỤC
Chƣơng I .............................................................................................................................. 8
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY ................... 8
1.1.

Lịch sử phát triển của thông tin không dây và công suất không dây ..................... 8

1.2.

Bài toán đặt ra trong lĩnh vực truyền năng lƣợng không dây .............................. 10

CHƢƠNG II ...................................................................... Error! Bookmark not defined.
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ANTEN VI DẢI 2.45 GHZ
........................................................................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.

Mục đích, chức năng, nhiệm vụ của anten........... Error! Bookmark not defined.

2.2.

Cấu trúc chung của hệ anten: ............................... Error! Bookmark not defined.

2.3. Các thông số đặc trƣng của anten: ......................... Error! Bookmark not defined.
2.3.1. Trƣờng bức xạ .................................................. Error! Bookmark not defined.
2.3.2. Đặc tính định hƣớng của trƣờng bức xạ .......... Error! Bookmark not defined.
2.3.3 Đặc tính phân cực của trƣờng bức xạ ................ Error! Bookmark not defined.
2.3.4. Hệ số định hƣớng và hệ số tăng ích .................. Error! Bookmark not defined.
2.4. Phối hợp trở kháng cho anten.................................. Error! Bookmark not defined.
2.4.1. Khái niệm chung .............................................. Error! Bookmark not defined.
2.4.2. Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng ................ Error! Bookmark not defined.
2.5. Anten mạch dải ....................................................... Error! Bookmark not defined.
2.5.1. Khái niệm .......................................................... Error! Bookmark not defined.
2.5.2. Cấu trúc và đặc tính cơ bản .............................. Error! Bookmark not defined.
2.6. Mảng anten vi dải .................................................... Error! Bookmark not defined.
2.6.1. Mảng hai phần tử .............................................. Error! Bookmark not defined.
2.6.2. Mảng tuyến tính N phần tử ............................... Error! Bookmark not defined.
4

Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN

2015

2.6.3. Mảng hai chiều.................................................. Error! Bookmark not defined.
2.6.4. Hệ số mảng ....................................................... Error! Bookmark not defined.
2.6.5. Độ rộng búp sóng .............................................. Error! Bookmark not defined.
2.6.6. Độ định hƣớng .................................................. Error! Bookmark not defined.
2.7.

Thiết kế mảng anten vi dải một phần tử .............. Error! Bookmark not defined.

2.7.1.

Yêu cầu thiết kế ............................................. Error! Bookmark not defined.

Thiết kế một anten vi dải hoạt động ở tần số 2.45 GHz với các tham số nhƣ sau:
..................................................................................... Error! Bookmark not defined.
2.7.2.

Thiết kế và mô phỏng anten .......................... Error! Bookmark not defined.

2.7.3.

Kết quả mô phỏng và đo kiểm anten ............. Error! Bookmark not defined.

2.8.

Thiết kế mảng anten vi dải 4 phần tử ................... Error! Bookmark not defined.

2.8.1.

Yêu cầu thiết kế ............................................. Error! Bookmark not defined.

2.8.2.

Kết quả đo kiểm hệ số phản xạ S11 của anten ............. Error! Bookmark not

defined.
CHƢƠNG III ..................................................................... Error! Bookmark not defined.
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH LỌC CAO TẦN 2.45 GHZ ........... Error! Bookmark not
defined.
3.1. Yêu cầu thiết kế, lý thuyết về đƣờng truyền vi dải . Error! Bookmark not defined.
3.1.1. Yêu cầu thiết kế ................................................ Error! Bookmark not defined.
3.1.2. Đƣờng truyền vi dải .......................................... Error! Bookmark not defined.
3.2. Thiết kế, chế tạo bộ lọc vi dải bằng phần mềm ADS............. Error! Bookmark not
defined.
3.2.1.Thiết kế, mô phỏng mạch lọc cao tần bằng phần mềm ADS . Error! Bookmark
not defined.

5


Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN

2015

3.2.2 Chế tạo và đo kiểm bộ lọc ................................. Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN ....................................................................... Error! Bookmark not defined.
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Truyền năng lượng không dây từ vệ tinh đến Trái Đất
Hình 2.1. Cấu trúc chung của hệ thống anten
Hình 2.2: Bản đồ hướng tính không gian trong mặt phẳng theo tọa độ  , 
Hình 2.3 Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa độ cực
Hình 2.4 Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa vuông góc
Hình 2.5 Mạch phối hợp phối hợp trở kháng giữa trở kháng tải bất kỳ và đường truyền
sóng
Hình 2.6 Anten mạch dải
Hình 2.7 Anten mạch dải nhìn từ mặt bên
Hình 2.8 Khe bức xạ Anten mạch dải
Hình 2.9 Các dạng anten mạch dải điển hình
Hình 2.10 Tiếp điện cho anten mạch dải
Hình 2.11 Bốn dạng hình học của anten mảng
Hình 2.12 Dạng hình học của mảng 2 phần tử đạt dọc theo trục z
Hình 2.13 Trường vùng xa và sơ đồ pha của mảng N phần tử isotropic
Hình 2.14 Dạng hình học của mảng tuyến tính và mảng hai chiều
Hình 2.15 Các độ rộng búp sóng nửa công suất của búp sóng chính có hướng θ0 và Ф0
Hình 2.16 Thiết kế anten vi dải 1 phần tử
Hình 2.17 Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ S11
Hình 2.18 Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng E và H
6


Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN

2015

Hình 2.19 Đồ thị bức xạ 3D của anten
Hình 2.20 Kết quả đo hệ số phản xạ S11
Hình 2.21 Hệ thống mảng 2 chiều
Hình 2.22 Hệ thống mảng 2 chiều 2x2 đã thiết kế
Hình 2.23 Đồ thị 3D bức xạ của hệ số mảng
Hình 2.24 Anten mảng 4 phần tử được thiết kế
Hình 2.25 Anten mảng 4 phần tử được chế tạo
Hình 2.26 Hệ số phản xạ của anten mảng 4 phần tử
Hình 2.27 Bố trí sơ đồ đo độ lợi anten
Hình 2.28 Anten chuẩn 15-2400AP14
Hình 3.1 Đường truyền vi dải
Hình 3.2 Phân bố trường của đường truyền vi dải
Hình 3.3 Đường truyền vi dải đặt trong hệ toạ độ Đecac
Hình 3.4 Trở kháng đặc tính và hệ số điện môi hiệu ứng của đường truyền vi dải được
tính theo phương pháp của Wheeler
Hình 3.5 Bộ lọc thông dải 2.45 GHz thiết kế bằng ADS
Hình 3.6 Kết quả mô phỏng bộ lọc
Hình 3.7 Thiết kế layout của bộ lọc
Hình 3.8 Bộ lọc sau khi được chế tạo
Hình 3.9 Kết quả đo hệ số phản xạ
Hình 3.10 Kết quả đo đáp ứng của bộ lọc

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
GEO

Geostationary orbit

Quỹ đạo địa tĩnh

MEO

Medium Earth orbit

Quỹ đạo trái đất trung
bình

7


Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN

2015

LEO

Low Earth orbit

Quỹ đạo trái đất thấp

PDA

Personal digital assistant

Thiết bị số hỗ trợ cá nhân

WPT

Wireless Power Transmission

Truyền năng lƣợng
không dây

Chƣơng I
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY
1.1.

Lịch sử phát triển của thông tin không dây và công suất 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 ý tƣởng về truyền năng lƣợng mà
không cần dùng đƣờng dây tải điện cao thế do Nicolai Tesla khởi xƣớng. Tuy nhiên từ đó
cho đến nay kết quả lý thuyết và thực nhiệm 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 lƣợng 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 đƣợc 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 lƣợng không dây trƣờng gần dùng để nạp điện cho một số thiết bị nhƣ 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 tƣờng minh
hơn , và nhất là sau các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu tại 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 .

8


Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN

2015

Trong khi đó việc nghiên cứu truyền công suất trƣờng xa đã đƣợc 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 đƣợc triển
khai với đầu tƣ hàng chục tỷ USD và đã thu đƣợc nhiều kết quả tốt.
Thông tin liên lạc không dây là việc chuyển giao thông tin giữa hai hay nhiều điểm
không đƣợc nối với nhau bằng một dây dẫn điện. Các công nghệ không dây phổ biến nhất
sử dụng viễn thông không dây điện, nhƣ đài phát thanh. Bằng sóng âm thanh khoảng
cách có thể là ngắn, chẳng hạn nhƣ một vài mét cho điều khiển từ xa truyền hình, hoặc
nhƣ xa nhƣ hàng ngàn hoặc thậm chí hàng triệu cây số cho thông tin vô tuyến sâu không
gian. Nó bao gồm nhiều loại hình cố định, di động, và các ứng dụng di động, bao gồm cả
radio hai chiều, điện thoại di động, trợ lý kỹ thuật số cá nhân (PDA), và kết nối mạng
không dây. Ví dụ khác về ứng dụng công nghệ không dây phát thanh bao gồm các đơn vị
GPS, mở cửa nhà để xe, con chuột máy tính không dây, bàn phím và tai nghe, tai nghe,
radio, truyền hình vệ tinh, truyền hình phát sóng và điện thoại không dây. Phƣơng pháp ít
phổ biến hơn để đạt đƣợc truyền thông không dây bao gồm việc sử dụng ánh sáng, âm
thanh, điện từ hoặc điện trƣờng.
Theo suốt lịch sử phát triển, nhiều nhà phát minh đã thử áp dụng nhiều phƣơng pháp
truyền tín hiệu không dây, bao gồm cả phƣơng 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 đƣợc tiến hành kể từ đầu thế kỷ 19 nhằm
nghiên cứu sự liên quan giữa điện và từ tính dựa vào những dự đoán trƣớc đó. Tiêu biểu
là vào năm 1800, Alessandro Volta đã phát triển những phƣơng pháp để tạo ra dòng điện.
Tiếp theo là Gian Domenico Romagnosi với nghiên cứu về sự liên quan giữa dòng điện
và từ tính nhƣng nghiên cứu của ông chƣa đƣợc công nhận.
Mãi đến năm 1829, Hans Christian Orsted đã đƣa ra một thí nghiệm để chứng minh
thuộc tính từ của dòng điện, đó là dòng điện chạy trong một cuộn dây làm chệch hƣớng
9

Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN

2015

của kim la bàn đặt gần. Chính thí nghiệm của Orsted đã khơi mào cho André-Marie
Ampère phát triển lý thuyết về điện từ và kế đó là Francesco Zantedeschi với nghiên cứu
về sự liên quan giữa ánh sáng, điện và từ trƣờng.
Năm 1831, Michael Faraday đã thực hiện một loạt các thí nghiệm để chứng minh sự
tồn tại của hiện tƣợng cảm ứng điện từ. Mối quan hệ này đã đƣợc ông xây dựng thành
một mô hình toán học của định luật Faraday. Theo đó, lực điện từ có thể lan toả ra vùng
không gian xung quanh các dây dẫn.
Dựa trên các nghiên cứu trƣớc đó, Joseph Henry đã thực hiện một thí nghiệm chứng
minh đƣợc lực từ có thể tác động từ độ cao 61 m vào năm 1832. Ông cũng chính là ngƣời
đầu tiên tạo ra dòng điện xoay chiều dao động với tần số cao. Trong thí nghiệm, ông nhận
ra rằng dòng điện xoay chiều sẽ tạo ra một lực dao động với tầng số giảm dần cho đến
khi nó trở về trạng thái cân bằng.
Đến thuyết sóng điện từ, Từ năm 1861 đến năm 1865, dựa trên những nghiên cứu của
Faraday và các nhà khoa học khác, James Clerk Maxwell đã phát triển một học thuyết
mang tên thuyết sóng điện từ đƣợc đăng tải trên tạp chí khoa học hoàng gia với tựa đề
"thuyết động lực của điện trƣờng". Ông chính là ngƣời thống nhất các khái niệm quan
trọng của vật lý hiện đại là điện, từ trƣờng và ánh sáng bằng 4 phƣơng trình Maxwell nổi
tiếng. Sự ra đời của truyền sóng điện từ chính là nền tảng cho việc truyền thông tin không
dây sau này đó chính là sóng radio.
Cuộc trò chuyện điện thoại không dây đầu tiên trên thế giới xảy ra trong năm 1880,
khi Alexander Graham Bell và Charles Sumner Tainter phát minh và bằng sáng chế
photophone, một điện thoại thực hiện cuộc hội thoại âm thanh không dây qua chùm ánh
sáng đƣợc điều chế . Trong kỷ nguyên xa xôi, khi các tiện ích vẫn chƣa tồn tại để cung
cấp điện và laser thậm chí còn chƣa tƣởng tƣợng trong khoa học viễn tƣởng, không có

ứng dụng thực tế cho sáng chế của họ, đƣợc đánh giá cao giới hạn bởi sự sẵn có của cả
ánh sáng mặt trời và thời tiết tốt. Tƣơng tự nhƣ truyền thông quang học không gian tự do,
các photophone cũng yêu cầu một dòng lý tƣởng giữa máy phát và máy thu của nó. Nó sẽ
10


Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN

2015

là vài thập kỷ trƣớc khi nguyên tắc của photophone tìm thấy ứng dụng thực tế đầu tiên
của họ trong thông tin liên lạc quân sự và sau đó trong truyền thông cáp quang.
1.2.

Bài toán đặt ra trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây

Năng lƣợng là một thực thể khách quan tồn tại trong vũ trụ. Nó là khởi nguồn của vũ
trụ, là động lực căn bản tạo ra sự sống và sự phát triển trong thế giới tự nhiên, trong đó có
con ngƣời. Với sự bùng nổ dân số mạnh mẽ nhƣ hiện nay, nhu cầu tiêu thụ năng lƣợng cho
các hoạt động của con ngƣời ngày càng tăng. Trong khi các nguồn năng lƣợng hóa thạch
đang ngày càng cạn kiệt dần, nguồn năng lƣợng hạt nhân tính an toàn không cao, còn các

Tài liệu tham khảo
Tài liệu tiếng Việt:

[2]

GS.TSKH Phan Anh. Trường điện từ và truyền sóng, NXB Đại Học Quốc
Gia Hà Nội, Hà Nội.
Phạm Minh Việt. Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.

[3]

GS.TSKH Phan Anh. Lý thuyết và kỹ thuậ anten – NXB Khoa học kỹ

[1]

thuật, Hà Nội.
Tài liệu tiếng Anh:
[1]

David M. Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, Inc.

[2]

A. Balanis, Antenna Theory Analysis and design, John Wiley & Sons,

[3]

Inc.
Zhijun Zhang, Antenna Design for Mobile Design, John Wiley & Sons, Inc.

11