Nghiên cứu, mô phỏng, thiết kế và chế tạo thử nghiệm ma trận anten thu (rectenna) 32 hoặc 64 phần tử nhằm ứng dụng trong lĩnh vực truyền công suất không dây

Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

MỤC LỤC
MỤC LỤC .........................................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. vi
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...............................................................................viii
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... xii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.............................................................................. xiii
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 1
ABSTRACT ..................................................................................................................... 2
TÓM TẮT ........................................................................................................................ 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ H T

ỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂ ......... 3

1.1.

Một số điểm lịch sử phát triển chính của truyền năng lượng không dây . 3

1.2.

Động cơ thúc đẩy ............................................................................................ 3

1.3.

Các phương pháp truyền công suất không dây........................................... 5

1.3.1. Truyền công suất không dây bằng phương pháp chùm tia ...................... 5
1.3.2. Truyền công suất không dây cảm ứng điện từ .......................................... 5
1.4.

Ứng dụng của công nghệ truyền năng lượng không dây............................ 6

1.4.1. Ứng dụng công nghệ truyền công suất không dây bằng phương pháp
chùm tia ................................................................................................................... 6
1.4.2. Ứng dụng công nghệ truyền năng lượng không dây cảm ứng điện từ................ 6
1.5.

Truyền công suất không dây trong không gian tự do................................. 7

1.6.

Tần số đối với truyền công suất không dây ................................................. 8

1.7.

Các vấn đề liên quan đến truyền công suất không dây .............................. 8

1.7.1. An toàn chùm tia ......................................................................................... 9

i


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

1.7.2. Sự cấp phát tần số hoặc bước sóng ............................................................ 9
1.7.3. Khả năng tài chính.................................................................................... 10
ệ truyền công suất không dây sử dụng ch

1.8.

tia vi a công suất cao .. 10

1.8.1.

phát i ba c a hệ t uyền công suất không dây ................................... 10

1.8.2.

thu i ba c a hệ t uyền công suất không dây s dụng chùm tia i ba

công suất cao ......................................................................................................... 12
1.8.2.1.

Ăng ten thu

e tenn ................................................................... 12

1.8.2.2.

ạ h h nh

u .................................................................................. 13

1.9.

Phương pháp nghiên cứu............................................................................. 14

1.10.

Tổng quan của luận văn .............................................................................. 14

CHƯƠNG 2:
2.1.

CT NNA ĂNG T N TH V M CH CH NH LƯ

................. 15

Ăng ten thu trong rectenna ......................................................................... 15

2.1.1. Khái niệm ề ăng t n................................................................................. 15
2.1.2. M t số cấu t úc ăng t n có thể được s dụng để làm ăng t n thu t ong
hệ truyền công suất không dây ............................................................................. 16
2.1.3. Các thông số chính c a ăng t n ............................................................... 17
2.1.3.1.

Đồ thị ph ơng h ớng bức xạ c

ăng ten ......................................... 17

2.1.3.2.

Miền bức xạ c

2.1.3.3.

Búp sóng ( obe) .................................................................................. 19

2.1.3.4.

Độ rộng búp sóng (be m width) ........................................................ 20

2.1.3.5.

C ờng độ bức xạ (Radiation Intensity) .............................................. 20

2.1.3.6.

Độ định h ớng (Directivity)............................................................... 21

2.1.3.7.

Độ lợi (Gain) ...................................................................................... 21

2.1.3.8.

Trở kháng vào .................................................................................... 22

ăng ten (fie d zones) ............................................... 18

ii


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

2.1.3.9.

Hiệu suất c

ăng ten......................................................................... 23

2.1.3.10. Ph ơng t ình F iis ............................................................................. 24
2.1.3.11. Diện t h kh u độ hiệu dụng .............................................................. 25
2.2.

Mạch chỉnh lưu ............................................................................................. 26

2.2.1. Các lo i m ch ch nh lưu........................................................................... 26
2.2.1.1.

ạ h h nh

un

sóng ................................................................... 26

2.2.1.2.

ạ h h nh

u

2.2.1.3.

ạ h h nh

u nh n đôi điện áp ...................................................... 28

u toàn sóng ........................................................... 27

2.2.2. Đi ốt ch nh lưu chottky ........................................................................... 29
2.3.

Phần chuyển tiếp gi a ăng ten thu v

ạch chỉnh lưu............................. 32

2.4.

iệu suất của ăng ten thu ............................................................................ 33

2.5.

Kết luận ......................................................................................................... 34

CHƯƠNG 3: MÔ H NG, THIẾT KẾ
3.1.

CT NNA ................................................ 35

Thiết kế tính toán kích thước ăng ten lưỡng cực vi dải sử dụng trong
rectenna ........................................................................................................ 35

3.2.

Mô phỏng ma trận ăng ten lưỡng cực vi dải trong rectenna ................... 38

3.2.1. Mô phỏng m t phần t ăng t n lưỡng cực vi dải .................................... 38
3.2.1.1.

3.2.1.2.

uá t ình mô ph ng b ng ph n mềm C

Một số kết quả thu đ ợ s u khi mô ph ng ....................................... 42

3.2.2. Mô phỏng ma trận ăng t n

3.3.

tudio suite ..................... 39

ct nna ........................................................ 44

3.2.2.1.

ô ph ng ma trận rectenna 16 ph n t ............................................ 46

3.2.2.2.

ô ph ng ma trận rectenna 32 ph n t ............................................ 48

3.2.2.3.

ô ph ng ma trận rectenna 64 ph n t ............................................ 50

ính toán tr kháng của đi ốt chottky ..................................................... 52

iii

Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

ô phỏng mạch chỉnh lưu ........................................................... 55

3.4.

Thiết kế

3.5.

Kết luận ......................................................................................................... 61

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHI M.................................................................. 62
4.1.

Chế tạo ăng ten lưỡng cực vi dải đơn ......................................................... 62

4.1.1. Kết quả đo 11, V W , t ở kháng đầu ào ăng t n ................................ 63
4.1.2. Đo đ tăng ích Gain c a ăng t n ........................................................... 64
4.2.

Chế tạo v đo

ạch chỉnh lưu..................................................................... 67

4.3.

Chế tạo v đo

a trận rectenna 4 phần tử ................................................ 71

4.4.

Chế tạo v đo

a trận rectenna 32 phần tử .............................................. 72

4.5.

Kết luận ......................................................................................................... 78

KẾT LUẬN, DANH MỤC

I ÁO KHOA HỌC V TƯƠNG LAI HÁT T IỂN

........................................................................................................................................ 79
Kết luận chung.......................................................................................................... 79
Danh mục

i áo khoa học .................................................................................... 80

ương lai phát triển của hệ truyền công suất không dây .................................... 81
T I LI U THAM KHẢO ............................................................................................. 82

iv


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC N ẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN

ẠC Ĩ

Họ v tên tác giả luận văn : Nguyễn Chung Đông
Đề t i luận văn: Nghiên cứu, mô phỏng, thiết kế và chế tạo thử nghiệm ma trận
ăng ten thu (rectenna) 32 hoặc 64 phần tử nhằm ứng dụng trong lĩnh vực truyền
công suất không dây
Chuyên ng nh: Kỹ thuật Viễn Thông – Viện Điện tử Viễn Thông, Đại học
Bách Khoa Hà Nội
Mã số SV: CB141008
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 22 tháng 04
năm 2016 với các nội dung sau:
- Đã sửa chữa các kết quả mô phỏng hệ số định hướng, hệ số tăng ích của ma trận
16, 32 phần tử ăng ten dùng trong rectenna. Mô phỏng thêm ma trận 64 phần tử
ăng ten dùng trong rectenna.
- Đã đưa các kết quả mô phỏng và các kết quả thực nghiệm lên cùng một đồ thị
để so sánh, kiểm chứng.
- Thay đổi nội dung phần cuối: Kết luận, Danh mục bài báo khoa học đã công bố,
Định hướng phát triển tương lai của lĩnh vực truyền công suất không dây ở Việt
Nam, So sánh và đánh giá kết quả so với một số công trình khoa học khác liên
quan đến truyền công suất không dây.
Ngày 03 tháng 05 năm 2016
Giáo viên hướng dẫn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Lâm Hồng Thạch

Vũ Văn Yêm

v

ác giả luận văn

Nguyễn Chung Đông


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ khoa học này được hỗ trợ về chuyên môn, kinh phí và được
thực hiện tại phòng Vật liệu và Linh kiện năng lượng dưới sự hướng dẫn về mặt định
hướng khoa học, phương pháp luận của GS.TSKH. Đào Khắc An và giảng viên TS.
Lâm Hồng Thạch. Luận văn thạc sỹ này được thực hiện trong khuôn khổ của đề tài
“Nghiên cứu

ô phỏng

i toán truyền năng lượng không dây v chế tạo thử

nghiệm hệ thiết bị truyền năng lượng bằng ch

tia vi a công suất cao”- mã số

VT/CB-03/13-15, thuộc chương trình Khoa học và Công nghệ vũ trụ giai đoạn 20122015 - chủ nhiệm đề tài: GS.TSKH Đào Khắc An.

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy cố vấn khoa học
GS.TSKH Đào Khắc An-Viện Khoa học Vật liệu và TS. Lâm Hồng Thạch - giảng viên
viện Điện tử Viễn thông, trường đại học Bách Khoa Hà Nội, là những người đã trực
tiếp định hướng cho tôi thực hiện đề tài, hướng dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo tôi về nhiều
mặt để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn thạc sỹ khoa học này. Đồng thời, tôi cũng xin
được gửi lời cảm ơn tới KS. Hoàng Huy Nam cán bộ thuộc phòng thí nghiệm của cục
Tác chiến điện tử, đã giúp đỡ tôi tận tình về mặt chế tạo, đo đạc và hiệu chỉnh các
thông số ăng ten để có được kết quả tốt nhất trong luận văn thạc sỹ của tôi.
Ngoài ra, tôi xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các cán bộ nghiên cứu Phòng Vật
liệu và Linh kiện năng lượng, Viện Khoa học vật liệu đã tạo điều kiện cần thiết, ủng hộ
về mặt tinh thần để tôi hoàn thành tốt luận văn thạc sỹ của mình. Cuối cùng tôi muốn
gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình tôi đã nuôi dưỡng và tạo điều kiện cho
tôi được như ngày hôm nay, cảm ơn những người luôn ở bên tôi và ủng hộ tôi. Một lần
nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

Học viên cao học

vi

năm 2016


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của

các nhân, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng dẫn
của GS.TSKH. Đào Khắc An, Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam, TS. Lâm Hồng Thạch, Viện Điện tử - Viễn Thông, Trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội.
Các số liệu, kết quả, kết luận được tôi tham khảo đã được trích dẫn nguồn đẩy đủ.
Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên.
Hà Nội, ngày

tháng

Tác giả luận văn

Nguyễn Chung Đông

vii

năm 2016


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

DANH MỤC

ÌN

VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1. 1: Hiệu suất truyền không dây là hàm của thông số τ [20] ................................. 7
Hình 1. 2: Sơ đồ khối đối hệ truyền công suất không dây ............................................. 10
Hình 1. 3: Máy phát vi ba............................................................................................... 11

Hình 1. 4: Circulator ...................................................................................................... 11
Hình 1. 5: Coupler định hướng/ máy đo công suất ........................................................ 12

Hình 2. 1: Sơ đồ khối của rectenna ................................................................................ 15
Hình 2. 2: Cấu trúc của phần tử dipole .......................................................................... 16
Hình 2. 3: Ăng ten vi dải ................................................................................................ 17
Hình 2. 4: Vùng bức xạ của ăng ten ............................................................................... 18
Hình 2. 5: Búp sóng của ăng ten .................................................................................... 19
Hình 2. 6: Độ rộng chùm nửa công suất ........................................................................ 20
Hình 2. 7: Mạch chỉnh lưu nửa sóng với bộ lọc tụ điện – nửa chu kỳ dương ............... 26
Hình 2. 8: Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ với bộ lọc tụ điện – nửa chu kỳ âm .................. 27
Hình 2. 9: Dạng sóng điện áp ra của mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ ................................. 27
Hình 2. 10: Hoạt động của mạch chỉnh lưu trong nửa chu kỳ dương ............................ 28
Hình 2. 11: Hoạt động của mạch chỉnh lưu trong nửa chu kỳ âm ................................. 28
Hình 2. 12: Dạng sóng điện áp tải đối với mạch chỉnh lưu toàn sóng ........................... 28
Hình 2. 13: Sơ đồ mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp ...................................................... 29
Hình 2. 14: Mạch tương đương tuyến tính của đi ốt Schottky....................................... 30
Hình 2. 15: Hiệu suất chuyển đổi công suất RF sang DC của đi ốt ............................... 31
Hình 2. 16: Mô hình ăng ten được nối với mạch chỉnh lưu ........................................... 33
viii


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

Hình 3. 1: Cấu trúc mặt trước ăng ten lưỡng cực vi dải................................................. 36
Hình 3. 2: Thiết kế bộ cân bằng hình chữ J (mặt sau của ăng ten) ................................ 36
Hình 3. 3: Cấu trúc ăng ten lưỡng cực vi dải với bộ cân bằng hình chữ J ..................... 37
Hình 3. 4: Giao diện phần mềm mô phỏng CST 2013 ................................................... 39
Hình 3. 5: Xây dựng mặt phản xạ kim loại .................................................................... 40
Hình 3. 6: Xây dựng cấu trúc mặt trước của ăng ten ..................................................... 40

Hình 3. 7: Xây dựng cấu trúc mặt trước của ăng ten ..................................................... 41
Hình 3. 8: Thiết lập điểm tiếp điện cho ăng ten ............................................................. 41
Hình 3. 9: Tối ưu các thông số của ăng ten với công cụ “ ptimi er” ........................... 42
Hình 3. 10: Cấu trúc ăng ten đặt trên tấm phản xạ......................................................... 42
Hình 3. 11: Kết quả độ tổn hao do phản xạ S11 và hệ số tỷ lệ sóng đứng điện áp ........ 43
Hình 3. 12: Kết quả đồ thị phương hướng bức xạ của ăng ten ...................................... 43
Hình 3. 13: Sơ đồ sắp xếp ma trận rectenna .................................................................. 44
Hình 3. 14: Ma trận 3D của 16 phần tử ăng ten rectenna .............................................. 46
Hình 3. 15: Sự sắp xếp 16 phần tử ăng ten với 16 điểm tiếp điện đồng biên đồng pha 46
Hình 3. 16: Ma trận sử dụng 16 điểm tiếp điện đồng biên, đồng pha ............................ 47
Hình 3. 17: Đồ thị phương hướng bức xạ của ma trận rectenna 16 phần tử ăng ten ..... 47
Hình 3. 18: Hiệu suất của ma trận ăng ten 16 phần tử ................................................... 47
Hình 3. 19: Ma trận 3D của 32 phần tử ăng ten rectenna .............................................. 48
Hình 3. 20: Sự sắp xếp 32 phần tử ăng ten với 32 điểm tiếp điện đồng biên đồng pha 48
Hình 3. 21: Ma trận sử dụng 32 điểm tiếp điện đồng biên, đồng pha ............................ 49
Hình 3. 22: Đồ thị phương hướng bức xạ của ma trận rectenna 32 phần tử ăng ten ..... 49
Hình 3. 23: Hiệu suất của ma trận ăng ten 32 phần tử ................................................... 50
ix


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

Hình 3. 24: Ma trận 3D của 64 phần tử ăng ten rectenna .............................................. 50
Hình 3. 25: Hiệu suất của ma trận ăng ten 64 phần tử ................................................... 51
Hình 3. 26: Đồ thị phương hướng bức xạ của ma trận rectenna 64 phần tử ăng ten ..... 51
Hình 3. 27: Mạch tương đương của đi ốt Schottky HSMS-2820 .................................. 52
Hình 3. 28: Tổng trở kháng của đi ốt ............................................................................. 54
Hình 3. 29: Sơ đồ mạch chỉnh lưu ................................................................................. 56
Hình 3. 30: Sơ đồ khảo sát mạch chỉnh lưu theo điện trở tải và điện áp đầu vào .......... 56
Hình 3. 31: Tối ưu hóa mạch chỉnh lưu bằng phần mềm ADS ...................................... 57

Hình 3. 32: Layout của mạch chỉnh lưu trên phần mềm mô phỏng ADS...................... 57
Hình 3. 33: Đồ thị mô phỏng điện áp đầu ra theo Pin và Rload........................................ 58
Hình 3. 34: Đồ thị kết quả mô phỏng công suất đầu ra theo Pin và Rload ....................... 59
Hình 3. 35: Kết quả mô phỏng hiệu suất chỉnh lưu theo Pin và Rload ............................. 59

Hình 4. 1: Cấu trúc mặt trước (phải) và mặt sau của ăng ten (trái) hoạt động tại tần số
trung tâm 2,45 Gh ......................................................................................................... 62
Hình 4. 2: Sơ đồ đo hệ số phản xạ S11, VSWR, trở kháng đầu vào của ăng ten .......... 63
Hình 4. 3: Kết quả đo độ suy hao do phản xạ S11 và hệ số tỷ lệ sóng đứng điện áp
VSWR ............................................................................................................................ 63
Hình 4. 4:Kết quả đo trở kháng trở đầu vào ăng ten ...................................................... 64
Hình 4. 5: Sơ đồ đo độ tăng ích của ăng ten .................................................................. 64
Hình 4. 6: Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm độ suy hao do phản xạ S11
........................................................................................................................................ 66
Hình 4. 7: Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm độ suy hao do phản xạ S11
........................................................................................................................................ 66

x


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

Hình 4. 8: (a) Layout và (b) hình ảnh mạch chỉnh lưu chế tạo thực tế .......................... 67
Hình 4. 9: Những hình ảnh đo và các máy đo mạch chỉnh lưu ...................................... 68
Hình 4. 10: Kết quả đo điện áp đầu ra theo Pin và Rload ................................................. 68
Hình 4. 11: Kết quả đo công suất đầu ra theo Pin và Rload .............................................. 69
Hình 4. 12: Kết quả đo hiệu suất chỉnh lưu theo Pin và Rload ......................................... 69
Hình 4. 13: Kết quả chế tạo thử nghiệm ma trận rectenna 4 phần tử trên tấm phản xạ. 71
Hình 4. 14: Sự sắp xếp ma trận rectenna mắc song song 32 phần tử trên tấm phản xạ. 72
Hình 4. 15: Ma trận rectenna 32 phần tử ....................................................................... 72

Hình 4. 16: Một số hình ảnh đo trong phòng thí nghiệm ............................................... 73
Hình 4. 17: Sơ đồ đo hiệu suất ra của ma trận rectenna ................................................ 74
Hình 4. 18: Kết quả đo điện áp đầu ra của ma trận rectenna 32 phần tử theo công suất
đầu vào và điện trở tải .................................................................................................... 76
Hình 4. 19: Kết quả đo tổng công suất đầu ra của ma trận rectenna 32 phần tử theo
công suất đầu vào và điện trở tải .................................................................................... 76
Hình 4. 20: Kết quả đo tổng hiệu suất của ma trận rectenna 32 phần tử theo công suất
đầu vào và điện trở tải .................................................................................................... 77

xi


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3. 1: Bảng kết quả các thông số mô phỏng ăng ten .............................................. 43
Bảng 3. 2: Bảng so sánh các thông số của các ma trận ăng ten rectenna ...................... 51
Bảng 3. 3: Các thông số của đi ốt Schottky HSMS-2820 của nhà sản xuất .................. 53
Bảng 3. 4: Các thông số kích thước các đường vi dải ................................................... 58
Bảng 3. 5: Kết quả mô phỏng các thông số điện áp và công suất đầu ra, hiệu suất đỉnh
của mạch chỉnh lưu theo điện trở tải và công suất đầu vào ........................................... 60

Bảng 4. 1: Bảng so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm các thông số của ăng ten . 65
Bảng 4. 2: Kết quả thực nghiệm các thông số điện áp ra, công suất ra và hiệu suất đỉnh
của mạch chỉnh lưu theo điện trở tải và công suất đầu vào ........................................... 70
Bảng 4. 3: Bảng kết quả đo điện áp ra của ma trận rectenna 4 phần tử ......................... 71
Bảng 4. 4: Kết quả đo công suất đầu ra theo công suất đầu vào và điện trở tải ............ 75

xii

Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

DANH MỤC CÁC Ừ VIẾT TẮT
WPT

Wireless Power Transmission

ISM

Industry Science and Medical

ADS

Advanced Design Simulation

CST

Computer Simulation Technology

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio

AC

Alternating Current

DC

Direct Current

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

HPBW

Half Power Beam Width

HNBW

First Null BeamWidth

xiii


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

LỜI NÓI ĐẦU
Truyền công suất không dây WPT (Wireless Power Transmission) có thể được xác
định là một quá trình diễn ra trong một hệ thống mà năng lượng điện có thể được
truyền từ nguồn điện (hoặc một vật bức xạ) đến một tải điện mà không cần dây dẫn.
Truyền công suất không dây được sử dụng trong các trường hợp sử dụng các dây dẫn
s nguy hiểm, giá thành cao và có thể bất khả thi.
Trong nội dung đề tài nghiên cứu khoa học mang mã số VT/CB - 03/13 -15 thuộc
Chương trình khoa học và công nghệ vũ trụ quốc gia, Viện Hàn lâm Khoa học và công
nghệ Việt Nam, những người thực hiện đề tài đã nghiên cứu mô phỏng bài toán truyền
năng lượng không dây và chế tạo thử nghiệm hệ thiết bị truyền năng lượng bằng chùm
tia vi ba công suất cao trong phòng thí nghiệm ở khoảng cách nhất định giữa hai điểm.

Trong hệ truyền công suất không dây, ma trận rectenna (ăng ten thu và chỉnh lưu) đóng
vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất thu và chuyển đổi năng lượng của cả
hệ. Việc nghiên cứu, phân tích, thiết kế và chế tạo thử nghiệm ma trận rectenna được
những người tham gia đề tài hết sức quan tâm thực hiện.
Chính vì những lý do trên, tôi đã chọn nghiên cứu giải pháp truyền năng lượng
không dây bằng chùm tia vi ba công suất cao để làm luận văn thạc sỹ khoa học của
mình với tên đề tài: “ Nghiên cứu, mô phỏng, thiết kế à chế t o th nghiệm ma trận
ăng t n thu

ct nna 32 hoặc 64 phần t nhằm ứng dụng t ong lĩnh ực truyền

công suất không dây”. Trong phạm vi của luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành
Điện tử Viễn thông, tôi tập trung nghiên cứu một cách tổng quan về hệ truyền năng
lượng không dây, sau đó tập trung làm rõ các vấn đề nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và
chế tạo thử nghiệm ma trận anten thu (rectenna) gồm 32 phần tử anten và 32 mạch
chỉnh lưu đơn hoạt động tại tần số 2,45 GHz nhằm phục vụ cho việc thu năng lượng
trong hệ truyền công suất không dây trong phòng thí nghiệm.

1


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

ABSTRACT
The work focuses on simulating, designing, measuring and testing an array of
antenna and rectifier circuit (RECTENNA) optimized for incoming signal of high
power density. The rectenna is used to harvest electric energy from the microwave
signal that has been radiated by transmitting antennas at ISM band centred in 2.45
GHz. This work contains methods to simulate a 32-element rectenna array using
simulation software of Computer Simulation Technology and Advanced Design

Software of Agilent firm, to experimentally fabricate the rectenna array, and then to
measure it with Vector Network Analyzer, spectral analyzer, digital generator,
multimeter, and anechoic chamber.
The primary goal of this thesis is to optimize the collection efficiency of rectenna
array.
ÓM ẮT
Bài luận văn này tập trung vào việc thực hiện mô phỏng, thiết kế, đo đạc và thử
nghiệm ma trận ăng ten thu và mạch chỉnh lưu (rectenna) tối ưu hóa cho các tín hiệu
sóng cao tần đầu vào với mật độ công suất cao. Rectenna được sử dụng để thu năng
lượng điện từ các tín hiệu vi ba được bức xạ bởi các ăng ten phát ở dải tần số ISM
(Industry Science Medical) với tần số làm việc trung tâm là 2,45 GHz. Bài luận văn
này bao gồm các phương pháp mô phỏng ma trận rectenna 32 phần tử bằng cách sử
dụng phần mềm mô phỏng CST (Computer Simulation Technology) và ADS
(Advanced Design Simulation) của hãng Agilent, chế tạo thử nghiệm ma trận rectenna
và sau đó đo một vài thông số của ma trận bằng các thiết bị phân tích mạng v c tơ, máy
phân tích phổ, máy phát xung vi ba, các máy đo trong phòng câm.
Mục đích chính của luận văn này là tối ưu hiệu suất thu và chỉnh lưu của ma trận
rectenna.

2


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

C ƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ
1.1.

TRUYỀN NĂNG LƯỢNG K ÔNG DÂY

Một số điểm lịch sử phát triển chính của truyền năng lượng không dây

Truyền công suất không dây đã được chứng minh rất nhiều lần trong suốt thế kỷ
trước. Ý tưởng này bắt đầu với các thực nghiệm của Nikola Tesla vào những năm 1890
và vẫn được tiếp tục cho đến ngày nay. Tesla tin chắc vào giả thuyết truyền công suất
không dây của ông, tuy nhiên không ai phê duyệt ý tưởng đó.
Nikola Tesla (10/07/1856 – 07/01/1943) là vừa một nhà phát minh vừa là một kỹ sư
cơ khí và kỹ sư điện. Nicola Tesla lần đầu tiên hình thành ý tưởng truyền công suất
không dây bằng các sóng radio cách đây hơn 1 thế kỷ. Ông đã cố gắng truyền dòng
điện 10.000 mã lực bằng các sóng radio. Ông nói rằng năng lượng này có thể được thu
ở tất cả mọi nơi trên toàn cầu với lượng công suất thu nhỏ. Một trong những công dụng
chính là chiếu sáng cho các ngôi nhà biệt lập [3].
Từ cuối thể kỷ 19 đến đầu thế kỷ 20 và trở về sau, tuy các sóng radio được sử dụng
chính cho các thông tin và tin tức phát nhưng cũng có một vài cố gắng đã được tạo ra
để truyền công suất dựa trên công trình radio của Tesla. Lý do cho việc thiếu quan tâm
trong truyền công suất không dây ở nửa đầu thế kỷ đó là tần số radio quá thấp không
phù hợp với kích thước ăng ten để phát chùm tia công suất theo yêu cầu. Tuy nhiên,
cuối chiến tranh thế giới thứ 2, các kỹ sư và các nhà khoa học bắt đầu kiểm nghiệm lại
ý tưởng nguyên bản của Tesla về việc truyền công suất điện bằng các sóng điện từ đến
một nơi xa bởi vì các công nghệ vi ba công suất cao lúc này đã phát triển. Tuy nhiên
trên thực tế, công nghệ ống vi ba công suất cao vẫn chưa được phát triển tốt.
1.2.

Động cơ thúc đẩy

Sự ra đời của các vi điều khiển và cảm biến công suất thấp đã tạo ra một ngành
công nghiệp có hiệu quả cao hơn mà mức độ tiêu thụ điện năng thấp hơn. Điều này đã
khuyến khích ý tưởng truyền công suất không dây ở một mức độ khác. Với rất nhiều
nguồn năng lượng vô tuyến xung quanh chúng ta, từ các điện thoại di động đến các

3

Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

trạm thông tin di động đã giúp chúng ta có nhiều đối tượng để đi sâu vào nghiên cứu
lĩnh vực truyền công suất không dây. Do đó, điều này đã thúc đẩy việc thiết kế các
mạch rectenna có hiệu suất cao hơn để sử dụng các loại cảm biến điện năng thấp một
cách dễ dàng hơn.
Nhu cầu phát triển của các hệ thống máy tính và cảm biến tạo tiền để cho sự phát
triển của các phương pháp truyền công suất không dây. Một số thông tin quan trọng về
truyền công suất không dây được nhấn mạnh dưới đây:
-

Ngành điện tử siêu cao tần ngày nay rất dễ tiếp cận, giá rẻ và đáng tin cậy cao
hơn. Trong quá khứ, việc tiếp cận với loại hình công nghệ này bị hạn chế cho
mục đích quân sự và các ứng dụng thương mại. Ngày nay, các linh kiện điện tử
có khả năng xử lý các tín hiệu tần số cao, người dùng có thể tận dụng chúng
trong các ứng dụng đa dạng nhất từ việc điều khiển từ xa của các thiết bị điện tử
đến các hệ thống viễn thông tiên tiến.

-

Việc sử dụng các thiết bị điện tử công suất thấp sử dụng các công nghệ CMOS
mới nhất là bằng chứng gần như ở khắp mọi nơi. Xu hướng hiện nay là thiết kế
mạch tích hợp mới có hiệu quả năng lượng cao hơn và đồng thời có khả năng
làm các công việc phức tạp hơn. Vấn đề tiết kiệm năng lượng là vấn đề cần thiết
ở tất cả mọi nơi và các hệ thống điện tử mới chạy bằng pin có thời gian sử dụng
dài hơn sự sự tiêu thụ điện năng thấp từ các mạch đó.

-

Máy tính hiện đại với khả năng xử lý rất cao làm cho việc thiết kế các mạch dễ
dàng với chất lượng cao. Ngành điện tử siêu cao tần thậm chí còn có thể giải
quyết được nhiều vấn đề phức tạp hơn là nhờ ăng ten được thiết kế thông minh
và dễ sử dụng hơn.

4


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

1.3.

Các phương pháp truyền công suất không dây

Những nhà khoa học trên thế giới đã và đang nghiên cứu hai phương pháp đối với
truyền công suất không dây. Đó là truyền công suất không dây sử dụng phương pháp
chùm tia (vi ba hoặc laser) và phương pháp cảm ứng điện từ.
1.3.1. Truyền công suất không dây bằng phương pháp chùm tia
Lịch sử nghiên cứu sau chiến tranh thế giới về truyền công suất không dây trong
không gian vũ trụ được dẫn chứng bằng tài liệu của William C.Brown [3], là người đi
đầu trong lĩnh vực truyền công suất không dây thực tế. Brown đã thực hiện thành công
thí nghiệm chứng minh việc máy bay trực thăng được cấp năng lượng bằng chùm vi ba
tần số 2,45 GHz năm 1964. Tần số 2,45 GHz nằm trong dải tần số 2,4 – 2,5 GHz dành
riêng cho các ứng dụng sóng radio tần số ISM (Industrial, Scientific and Medical). Hạn
chế quan trọng nhất là an toàn chùm tia, sự cấp phát tần số và khả năng tài chính [4].
Để truyền năng lượng, người ta thường dụng công nghệ chùm tia công suất, có
nghĩa là tạo ra bức xạ ở dạng chùm tia có mật độ công suất cao, rồi phát về phía bộ thu.
Bộ thu có thiết bị anten thu, bộ chuyển đổi điện, rồi đưa ra mạng lưới điện.
1.3.2. Truyền công suất không dây cảm ứng điện từ

Các hệ truyền công suất không dây cảm ứng được xác định là các hệ mà ở đó năng
lượng được truyền từ một cuộn sơ cấp đến cuộn thứ cấp sử dụng từ trường xoay chiều
[17].
Cấu trúc của hệ truyền công suất cảm ứng rất đơn giản. Cấu trúc cơ bản bao gồm 1
nguồn AC sơ cấp, 1 cuộn cảm sơ cấp, 1 cuộn cảm thứ cấp và 1 tải ở đầu ra. Bởi vì liên
kết giữa cuộn cảm sơ cấp và thứ cấp được điều khiển bởi trường điện từ nên truyền
công suất không dây cảm ứng chỉ có thể được thực hiện ở các khoảng cách nhỏ. Trong
năm 2001, Vandevoorde đánh dấu một liên kết cảm ứng mà truyền công suất 20W trên
khoảng cách 1cm với hiệu suất tổng cộng là 80%.

5


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

1.4.

Ứng dụng của công nghệ truyền năng lượng không dây

1.4.1. Ứng dụng công nghệ truyền công suất không dây bằng phương pháp chùm
tia
Brown phát minh một linh kiện mới được gọi là “rectenna” để chuyển đổi công suất
vi ba thành công suất DC [3] cho thực nghiệm cấp năng lượng cho máy bay bằng chùm
vi ba. Hiệu suất lớn nhất biến năng lượng sóng vi ba thành năng lượng một chiều DC là
84% đã thu được trong thí nghiệm chứng minh truyền công suất không dây bằng chùm
tia vi ba giữa hai điểm cố định trên mặt đất, được thực hiện năm 1975 trong phòng thí
nghiệm Jet Propulsion Laboratory. Công suất được truyền thành công từ đĩa ăng ten
phát dạng parabol cỡ lớn đến phía ăng ten thu là rectenna ở khoảng cách 1,6 km. Điện
áp đầu ra DC là 30 kW [7].
Công nghệ chùm tia laser công suất cao từ khi phát minh ra đã được nghiên cứu

khám phá chủ yếu để ứng dụng cho các loại vũ khí hiện đại. Vũ khí dùng năng lượng
trực tiếp của laser – DEW (Directed Energy Weapon) phát chùm tia ra theo một chiều,
hướng đến mục tiêu để tiêu diệt. Nó s truyền năng lượng cực lớn đến và phá hủy mục
tiêu bởi vì nó ra nhiệt lượng cao, có thể làm nóng chảy, đốt cháy.
1.4.2. Ứng dụng công nghệ truyền năng lượng không dây cảm ứng điện từ
Hiện nay, công nghệ sạc pin không dây sử dụng công nghệ cộng hưởng từ cho điện
thoại, laptop thậm chí là các xe bus hoặc ô tô điện ở khoảng cách gần đã được hiện
thực hóa với nhiều hãng điện tử công nghệ hàng đầu thế giới. Công nghệ cho ph p
dòng điện được truyền đi từ một bộ phát đến nhiều thiết bị tiếp nhận trong khoảng cách
vài m t mà không quan trọng đến vị trí xếp đặt.
Ứng dụng công nghệ truyền năng lượng không dây trong y học hiện đại, truyền
năng lượng không dây vào cơ thể: cuộc cách mạng mới cho thiết bị y tế cấy gh p như
các thiết bị nội soi có thể nuốt (pillcam), các máy điều hòa nhịp tim (pacemaker) hoạt
động trọn đời, hay các bộ kích thích não (brain stimulator).

6


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

1.5.

Truyền công suất không dây trong không gian tự do

Các khối phát và thu công suất đi qua không gian tự do sử dụng chùm tia vi ba là
các khẩu độ ăng ten thu và phát. Kích thước của các khẩu độ này liên quan trực tiếp
đến bước sóng sử dụng. Goubau và Schwering (1961) đã tìm được mối quan hệ giữa
hiệu suất khẩu độ - khẩu độ và thông số τ (Hình 1. 1):
Mối quan hệ này được biểu diễn bởi biểu thức:


ở đây:

At Ar

(1.1)

D

At là diện tích khẩu độ phát
Ar là diện tích khẩu độ thu
λ là bước sóng của sóng vi ba công suất
D là khoảng cách giữa khẩu độ phát và khẩu độ thu

Hình 1. 1: Hiệu suất truyền không d y à hàm

thông số τ [20]

Từ biểu thức (1.1) trên đây, biểu thức đơn giản cho các diện tích khẩu độ phát và
thu có thể được rút ra từ giả thiết kích thước các khẩu độ bộ phát và bộ thu bằng nhau.
7


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

At  Ar   D

(1.2)

Đối với những ứng dụng cần xác định cường độ riêng của chùm tia vi ba mà ở đó

diện tích thu có thể bị giới hạn, ta sử dụng biểu thức:
Pd 

ở đây :

At Pt
 2 D2

(1.3)

Pd là mật độ công suất tại ăng ten thu
Pt là công suất bức xạ tổng cộng từ bộ thu
At là diện tích tổng cộng của ăng ten phát
λ là bước sóng của sóng vi ba
D là khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu

Với trường hợp này, ta thấy rằng để nhận được giá trị Pd mong muốn tại m p của
bộ thu trong khi công suất được phát Pt cố định thì diện tích khẩu độ bộ phát thay đổi
theo nghịch đảo bình phương bước sóng của chùm tia bức xạ.
1.6.

Tần số đối với truyền công suất không dây

Việc lựa chọn tần số đối với truyền công suất không dây phụ thuộc vào một số tiêu
chuẩn. Nếu hoàn toàn có quyền tự do lựa chọn một tần số tốt nhất đối với truyền công
suất không dây, chúng ta cần xem x t những điều kiện dưới đây:
-

Diện tích các khẩu độ bộ phát và bộ thu phải thỏa mãn biểu thức (1.2).

-

Sự phụ thuộc của hiệu suất toàn bộ hệ thống bao gồm các thiết bị ở điểm phát và
điểm thu của hệ thống phụ thuộc vào tần số.

-

Các tổn hao bức xạ do nhiệt sinh ra do các khối thiết bị

-

Các tổn hao do không gian truyền sóng

-

Sự tác động của việc sử dụng tần số được lựa chọn

1.7.

Các vấn đề liên quan đến truyền công suất không dây

Có ba vấn đề trong việc truyền công suất không dây bằng các sóng điện từ:
8


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

-

An toàn chùm tia

-

Sự cấp phát tần số hoặc bước sóng

-

Khả năng tài chính.

Sự phát triển của các nghiên cứu công nghệ đối với hệ truyền công suất không dây
phải đảm bảo được sự cân bằng giữa ba vấn đề này.
1.7.1. An toàn chùm tia
Cơ thể con người và động vật hấp thụ năng lượng sóng vi ba (sóng điện từ) và
chuyển hóa nó thành nhiệt lượng. Nhiệt lượng này xảy ra trong toàn bộ cơ thể và có thể
không cảm thấy ở mức năng lượng thấp. Nguồn nhiệt lượng như vậy có thể gây nguy
hiểm cho não, mắt, bộ phận sinh dục và dạ dày thậm chí gây ung thư hoặc vô sinh. Vì
vậy, những người sử dụng các thiết bị truyền năng lượng không dây không được để bị
phơi nhiễm các mức công suất có hại. Mức công suất có hại này phải tuân theo tiêu
chuẩn mức năng lượng bức xạ an toàn quốc tế.
Chúng ta có thể truyền năng lượng mà không cần sử dụng dây dẫn như mặt trời vẫn
truyền năng lượng xuống trái đất hằng này. Tuy nhiên để truyền năng lượng trong
thương mại mà không cần dây dẫn thì yêu cầu mật độ thông lượng năng lượng cao mà
nếu mật độ thông lượng năng lượng cao quá mức có thể gây nguy hiểm cho con người
và các thiết bị.
Công suất của hệ truyền công suất không dây phải giữ dưới mức quy định của hội
đồng truyền thông liên bang. Sử dụng các thiết bị phát hiện và cảnh báo tín hiệu sóng
điện từ có công suất quá mức để đảm bảo an toàn [6].
1.7.2. Sự cấp phát tần số hoặc bước sóng
Vấn đề cấp phát tần số hoặc bước sóng luôn luôn là một vấn đề quan trọng đối với
hệ truyền công suất không dây bởi vì sự suy hao của sóng gây bởi môi trường truyền

sóng như mây mưa, khí quyển. Vì vậy, các tần số thường được sử dụng trong các hệ

9


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

truyền công suất nằm trong các của sổ tần số như tại tần số 2,45 GHz hoặc 5,8 GHz.
[5].
1.7.3. Khả năng tài chính
Dickinson (2003) [6] đã công bố hiệu suất truyền công suất bằng công nghệ chùm
tia từ bộ phát đến bộ thu lớn hơn 50%. Các kết quả này đã xua đi mọi nghi ngờ về tính
khả thi của công nghệ truyền công suất không dây. Trở ngại hiện tại duy nhất của hệ
truyền công suất không dây là chi phí thực hiện rất đắt. Truyền công suất không dây
bao gồm các linh kiện có giá thành rất đắt. Điều đó dẫn đến không có tính khả thi về
việc phát triển thương mại, trừ khi hệ truyền công suất không dây có thể được thực
hiện với giá thành vừa phải.
ệ truyền công suất không dây sử dụng ch

1.8.

tia vi ba công suất cao

Hệ truyền công suất không dây được thể hiện trên Hình 1. 2. Hệ bao gồm 2 thành
phần chính: bộ phát và bộ thu. Chúng được đặt tại hai điểm trong không gian hoặc trên
mặt đất với khoảng cách nào đó tùy theo ứng dụng riêng của hệ. Bộ phát có chức năng
chuyển đổi công suất dòng một chiều hoặc xoay chiều thành tín hiệu công suất vi ba,
và phát nó ra ngoài không gian qua ăng ten phát. Bộ thu gồm ăng ten thu và mạch
chỉnh lưu với chức năng thu tín hiệu công suất vi ba và biến đổi nó thành công suất
điện một chiều DC.

Hình 1. 2: ơ đồ khối đối hệ t uyền ông suất không d y
1.8.1.

phát vi ba c a hệ t uyền công suất không dây

10


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

Thiết bị vi ba bao gồm nguồn phát công suất sóng vi ba và mạch điện điều khiển.
Nguồn phát công suất sóng vi ba phát các sóng vi ba ở tần số thích hợp. Các nguồn
phát công suất sóng vi ba phổ biến nhất là Magnetron, Klystron. Người ta thường
thêm một bộ phận circulator giữa Magnetron và tải.
Những thuận lợi của các ống vi ba này là:
-

Hiệu suất chuyển đổi cao từ DC sang sóng vi ba (lớn hơn 70%)

-

Công suất đầu ra cao (từ hàng trăm W đến hàng trăm kW)

Hình 1. 3:

áy phát vi ba

Cấu tạo máy phát vi ba được thể hiện như trên hình Hình 1. 3. Các linh kiện của
máy phát vi ba được liệt kê ra dưới đây:

-

Magnetron

-

Circulor và Isolator

Hình 1. 4: Circulator
11


Luận văn thạc sỹ khoa học – Nguyễn Chung Đông- CB141008-2014B

-

Coupler định hướng/Máy đo công suất

Hình 1. 5: Coup e định h ớng/ máy đo ông suất
-

Ống dẫn sóng

1.8.2.

thu vi ba c a hệ t uyền công suất không dây s dụng chùm tia vi ba
công suất cao

1.8.2.1.

Ăng ten thu

e tenn

Nhiều loại ăng ten có thể được phân loại theo khẩu độ, có nghĩa là ăng ten có diện
tích khẩu độ lớn dễ xác định bằng bức xạ phát ra của chúng. Ví dụ bao gồm các ăng ten
phản xạ, ăng ten loa, ăng ten thấu kính và ma trận ăng ten. Ăng ten không thể được
xem là một thực thể riêng biệt bởi vì nó ảnh hưởng đến mạch chỉnh lưu và ngược lại.
Ăng ten thu và bộ chỉnh lưu cần phải được phối hợp trở kháng tốt để đảm bảo hiệu suất
thu và chỉnh lưu của rectenna đạt cao nhất. Do đó, chúng ta cần phải xem x t đến
những điều dưới đây:
-

Kích thước của ăng ten

-

Hình dạng ăng ten

-

Độ mở rộng chùm tia

-

Độ tăng ích

-

Hệ số tỷ lệ sóng đứng điện áp (VSWR)

12