Nghiên cứu, thiết kế chế độ tạo ăng ten cố định hướng và hiệu suất cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Hà Thị Hiền

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo anten có định hướng
và hiệu suất cao

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Lâm Hồng Thạch

2014B
Hà Nội – Năm 2017


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................iv
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... x
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 1
ABSTRACT .................................................................................................................... 3
TÓM TẮT ....................................................................................................................... 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY .......... 5
1.1.

Giới thiệu......................................................................................................... 5

1.2.

Một số kết quả nghiên cứu truyền năng lượng không dây trên thế giới và
trong nước trong những năm gần đây......................................................... 5

1.2.1. Một số kết quả nghiên cứu truyền năng lượng không dây trên thế giới ...... 5
1.2.2. Một số kết quả nghiên cứu truyền năng lượng không dây trong nước .......... 7
1.3.

Giới thiệu các phương pháp truyền năng lượng không dây ...................... 8

1.3.1. Truyền năng lượng bằng phương pháp cảm ứng điện từ ............................. 8
1.3.2. Phương pháp truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia viba và
chùm tia la de ......................................................................................................... 10
1.3.3. Sơ đồ khối một hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia
viba

.................................................................................................................... 11

1.4.

Hiệu suất truyền sóng vi ba. Vai trò của ăng ten ...................................... 11

1.5.

Kết luận ......................................................................................................... 13

i


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĂNG TEN VÀ ĂNG TEN LOA ........... 15
2.1.

Một số thông số kỹ thuật cơ bản của ăng ten ............................................ 15

2.1.1. Miền bức xạ của ăng ten (Field Regions) .................................................. 15
2.1.2. Búp sóng (Lobe)......................................................................................... 16
2.1.3. Độ rộng búp sóng (Beam Width) ............................................................... 17
2.1.4. Cường độ bức xạ (Radiation Intensity) ...................................................... 17
2.1.5. Độ định hướng (Directivity) ...................................................................... 18
2.1.6. Độ lợi (Gain) .............................................................................................. 18
2.1.7. Hiệu suất của ăng ten ................................................................................. 18
2.2.

Ăng ten LOA (Horn Ăng tenna) ................................................................. 19

2.2.1. Định nghĩa .................................................................................................. 19
2.2.2. Phân loại ..................................................................................................... 19
2.2.3. Đặc điểm của ăng ten loa H ....................................................................... 21
2.2.4. Đặc điểm của ăng ten loa E ........................................................................ 26
2.2.5. Đặc điểm của ăng ten loa chóp .................................................................. 29
2.3.

Kết luận ......................................................................................................... 31

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ĂNG TEN LOA......... 32
3.1.

Thiết kế, tính toán kích thước ăng ten loa (horn) ..................................... 32

3.2.

Kết quả thiết kế, tính toán kích thước ăng ten loa hình chóp .................. 34

3.2.1. Phần thân loa .............................................................................................. 35
3.2.2. Phần hộp cộng hưởng................................................................................. 37
3.3.

Kết quả mô phỏng ăng ten loa hình chóp .................................................. 39

3.3.1. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng CST (Computer Simulation
Technology) ........................................................................................................... 39
3.3.2. Quá trình mô phỏng ăng ten loa bằng phần mềm CST MICROWAVE
STUDIO ................................................................................................................. 41
3.3.3. Một số kết quả chính thu được sau khi mô phỏng ăng ten loa .................. 45
ii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

3.4.

Kết luận ......................................................................................................... 52

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................... 53
4.1.

Lựa chọn vật liệu để gia công ăng ten loa .................................................. 53

4.1.1. Hợp kim của nhôm [20] ............................................................................. 53
4.1.2. Hợp kim đồng [21] ..................................................................................... 54
4.1.3. Lựa chọn vật liệu gia công ăng ten ............................................................ 55
4.2.

Chế tạo ăng ten loa ....................................................................................... 55

4.2.1. Kết quả đo S11, VSWR, trở kháng đầu vào ăng ten .................................. 57
4.2.2. Đo độ tăng ích (Gain) của ăng ten ............................................................. 59
4.3.

Xây dựng hệ truyền công suất không dây sử dụng ăng ten loa làm ăng
ten thu ........................................................................................................... 61

4.3.1. Khối thiết bị phát........................................................................................ 62
4.3.2. Khối thiết bị thu ......................................................................................... 66
4.3.3. Tiến hành đo đạc thử nghiệm ..................................................................... 67
4.4.

Kết luận ......................................................................................................... 68

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................. 69
1.

Kết luận chung.............................................................................................. 69

2.

Hướng phát ăng ten trong hệ truyền công suất không dây...................... 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 70

iii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ này được hỗ trợ về chuyên môn 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, mô
phỏng bài toán truyền năng lượng không dây và chế tạo thử nghiệm hệ thiết bị
truyền năng lượng bằng chùm tia viba công suất cao”- mã số VT/CB-03/13-15,
thuộc chương trình Khoa học và Công nghệ vũ trụ giai đoạn 2012-2016 - 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 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, ThS Nguyễn Chung Đông thuộc phòng Vật liệu và Linh kiện năng lượng, Viện
Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam 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.
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

năm 2017

Học viên cao học

iv


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

LỜI CAM ĐOAN

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

năm 2017

Tác giả luận văn

Hà Thị Hiền

v


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Ảnh chụp thí nghiệm với 2 cuộn ăng ten cộng hưởng thắp sáng một bóng
điện ................................................................................................................................... 6
Hình 1. 2 Truyền điện không dây trường gần nhờ cảm ứng điện từ ................................ 9
Hình 1. 3 Hiện tượng cộng hưởng cảm ứng................................................................... 10
Hình 1. 4 Sơ đồ một hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia vi ba .. 10
Hình 1. 5 Sơ đồ khối một hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia vi
ba .................................................................................................................................... 11
Hình 1. 6 Hiệu suất chùm tia sử dụng thông số τ .......................................................... 13
Hình 2. 1 Vùng bức xạ của ăng ten ................................................................................ 15
Hình 2. 2 Búp sóng của ăng ten ..................................................................................... 16
Hình 2. 3 Độ rộng chùm nửa công suất ......................................................................... 17
Hình 2. 4 Một số hình vẽ ăng ten loa ............................................................................. 20
Hình 2. 5 Một số vẽ ăng ten loa thực tế ......................................................................... 20
Hình 2. 6 Hình cắt theo mặt H (x-z) của ăng ten loa hình quạt mặt H .......................... 21
Hình 2. 7 Dạng mặt E và H của ăng ten loa hình quạt mặt H ........................................ 24
Hình 2. 8 Các đường cong độ định hướng phổ biến của ăng ten loa mặt H .................. 25
Hình 2. 9 Mặt cắt mặt E (y-z) của ăng ten loa hình quạt mặt E ..................................... 26

Hình 2. 10 Dạng mặt E và H của ăng ten loa hình quạt mặt E ...................................... 28
Hình 2. 11 Họ các đường cong độ định hướng phổ biến của ăng ten loa hình quạt mặt E
........................................................................................................................................ 29
Hình 3. 1 Các hình chiếu của ăng ten loa hình chóp...................................................... 33
Hình 3. 2 Chương trình tính toán kích thước ăng ten loa dạng chóp ............................. 35
Hình 3. 3 Các kích thước của ăng ten loa đã tính toán .................................................. 38
Hình 3. 4 Phần hộp cộng hưởng của loa ........................................................................ 39
Hình 3. 5 Sơ đồ các bước tiến hành mô phỏng ăng ten sử dụng phần mềm CST ......... 40
Hình 3. 6 Giao diện phần mềm mô phỏng CST 2013 .................................................... 41
vi


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

Hình 3. 7 Hình ảnh ăng ten loa được mô phỏng trên phần mềm ................................... 42
Hình 3. 8 Hình ảnh 3D của ăng ten loa .......................................................................... 42
Hình 3. 9. Kích thước hình chiếu cạnh của ăng ten loa ................................................. 43
Hình 3. 10 Kích thước hình chiếu bằng của ăng ten loa ................................................ 43
Hình 3. 11 Các kích thước phần hộp cộng hưởng của ăng ten loa ................................ 44
Hình 3. 12 Vị trí đầu dò trong bộ cộng hưởng của ăng ten loa ...................................... 44
Hình 3. 13 Các thông số kích thước của đầu dò của ăng ten loa ................................... 44
Hình 3. 14 Hệ số suy hao do phản xạ S11 của ăng ten loa ............................................ 45
Hình 3. 15 Hệ số tỉ lệ sóng đứng điện áp (VSWR) của ăng ten loa............................... 46
Hình 3. 16. Trường bức xạ trường điện (E-Field).......................................................... 46
Hình 3. 17 Trường bức xạ trường từ (F-Field) .............................................................. 47
Hình 3. 18 Dòng điện mặt (Surface current) .................................................................. 48
Hình 3. 19 Đồ thị phương hướng bức xạ dạng 3D của ăng ten loa ............................... 49
Hình 3. 20 Đồ thị phương hướng bức xạ dạng polar (các mặt bức xạ E và H) ............. 49
Hình 3. 21 So sánh các mặt bức xạ E và H của ăng ten loa ........................................... 50
Hình 3. 22 Đồ thị phương hướng bức xạ dạng Cartersian ............................................. 50

Hình 4. 1 Cấu trúc mặt trước (phải) và mặt sau của ăng ten (trái) hoạt động tại tần số
trung tâm 2,45 Ghz ......................................................................................................... 56
Hình 4. 2 Bộ hiệu chuẩn model 3653............................................................................. 56
Hình 4. 3 Máy phân tích mạng vector VNA 37377D .................................................... 57
Hình 4. 4: Sơ đồ đo hệ số phản xạ S11, VSWR, trở kháng đầu vào của ăng ten .......... 58
Hình 4. 5 Kết quả đo độ suy hao do phản xạ S11 .......................................................... 58
Hình 4. 6 Kết quả đo trở kháng trở đầu vào ăng ten ...................................................... 59
Hình 4. 7 Sơ đồ đo độ tăng ích của ăng ten ................................................................... 60
Hình 4. 8 Kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm độ suy hao do phản xạ S11
........................................................................................................................................ 61

vii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

Hình 4. 9 Máy phát công suất vi ba của Hãng Sairem với công suất phát cực đại 200W
........................................................................................................................................ 63
Hình 4. 10 Ăng ten Grid Parabol tại phòng thí nghiệm ................................................. 64
Hình 4. 11 779D Directional coupler ............................................................................. 65
Hình 4. 12 Máy đo công suất Bird và sensor công suất Cu -1678/URM-167 ............... 66
Hình 4. 13 Ăng ten loa tự đã được chế tạo ở phần trên ................................................. 66
Hình 4. 14 Mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp sử dụng trong khối thiết bị thu ............... 67
Hình 4. 15 Hệ truyền công suất không dây ngoài trời sử dụng ăng ten loa làm ăng ten
thu ................................................................................................................................... 68

viii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3. 1. Các thông số ban đầu để thiết kế ăng ten loa ............................................... 35
Bảng 3. 2. Bảng kết quả tính toán các kích thước ăng ten loa dạng chóp ..................... 36
Bảng 3. 3. Bảng các thông số chính được mô phỏng của ăng ten loa ........................... 51
Bảng 4. 1: Bảng so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm các thông số của ăng ten61
Bảng 4. 3. Bảng các thông số kỹ thuật chính của máy phát công suất tự chế tạo ......... 62
Bảng 4. 4. Bảng các thông số kỹ thuật của ăng ten Grid Parabol .................................. 64

ix


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

DANH MỤC CÁC TỪ 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

x


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

LỜI NÓI ĐẦU
Lý do lựa chọn đề tài
Truyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây, WPT (Wireless
Power Transmission) là quá trình truyền năng lượng từ một nguồn năng lượng đến một
tải tiêu thụ mà không cần dây dẫn.
Truyền năng lượng không dây khác với truyền thông tin không dây cơ bản nhất ở
các điểm như công suất và hiệu suất truyền năng lượng rất lớn, tín hiệu mang năng
lượng chỉ ở tại một tần số. Công nghệ truyền năng lượng không dây được thực hiện
dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ hoặc truyền chùm tia công suất cao ở dạng chùm
tia vi ba hoặc laser. Trong hệ truyền công suất không dây sử dụng công nghệ chùm tia
vi ba, ăng ten phát và ăng ten thu có độ định hướng cao đóng vai trò quan trọng trong
việc nâng cao hiệu suất phát và thu cho cả hệ.
Chính vì những lý do trên, tác giả đã chọn nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu, thiết
kế, chế tạo ăng ten có định hướng và hiệu suất cao”. Trong phạm vi của luận văn
thạc sỹ chuyên ngành Điện tử Viễn thông, trước tiên tôi giới thiệu 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 ăng ten loa có độ định hướng cao, chịu được
công suất lớn nhằm ứng dụng trong hệ truyền công suất không dây.
Phương pháp nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và chế tạo thử ăng ten loa, một loại ăng ten
có định hướng và hiệu suất cao để truyền năng lượng không dây. Trước tiên nhất, tác
giả phân tích vai trò của ăng ten trong công nghệ truyền năng lượng không dây sử dụng
chùm tia vi ba. Tiếp đến là nghiên cứu thiết kế và mô phỏng một ăng ten loa làm việc ở
tần số 2,45GHz đáp ứng yêu cầu truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia vi ba,
cuối cùng chế tạo ăng ten loa đó, đo đạc và đưa vào thử nghiệm trong hệ thống truyền
năng lương không dây trong đề tài của GS.TSKH. Đào Khắc An đã giới thiệu ở trên.

1

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

NỘI DUNG LUẬN VĂN
Luận văn gồm 4 chương;
Chương 1: Trình bày tổng quan về truyền công suất không dây.
Trình bày các vấn đề chung về truyền công suất không dây, đặc biệt chú trọng
vai trò của ăng ten trong truyền công suất không dây sử dụng chùm tia vi ba
Chương 2: Trình bày về lý thuyết ăng ten nói chung và ăng ten loa nói riêng
(định nghĩa, phân loại, đặc điểm). Chỉ rõ ăng ten loa có tính định hướng cao cho phép
nâng cao hiệu suất truyền công suất không dây sử dụng chùm tia vi ba.
Chương 3: Tập trung nghiên cứu, phân tích, thiết kế và mô phỏng ăng ten loa có
độ định hướng cao.
Chương 4: Trình bày các kết quả thực nghiệm chế tạo, đo ăng ten loa có độ định
hướng cao, xây dựng hệ truyền công suất không dây với ăng ten loa là ăng ten thu.
Kết luận những kết quả đạt được, khó khăn cần phải khắc phục và phương
hướng phát triển ăng ten ứng dụng trong tương lai của lĩnh vực truyền công suất không
dây.

2


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

ABSTRACT
The thesis focuses on reseach, simulation, design, measurement and test
fabrication of high power and directional horn ăng tenna applying in a wireless power
transmission using a beam technology (a high power microwave beam). Horn ăng
tenna is used to transmit or receive a microwave signal within the Industry Science
Medical frequency range (ISM) with the central operating frequency of 2.45 GHz.
The thesis consists of simulation of the high directional horn Ăng tenna using

Computer Simulation Technology (CST) software of Agilent firm, test fabrication of
horn ăng tenna, and measuring some technical parameters with vector network
analyzer and spectrum analyzers, a microwave generator, and meters in an anechoic
chamber.

3


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

TÓM TẮT
Bài luận văn này tập trung vào việc thực hiện nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và
chế tạo thử nghiệm ăng ten loa có độ định hướng và công suất cao ứng dụng trong hệ
truyền công suất không dây sử dụng phương pháp chùm tia (chùm tia vi ba công suất
cao). ăng ten loa được sử dụng để phát hoặc thu tín hiệu vi ba 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 công việc mô phỏng ăng ten loa có độ định
hướng cao sử dụng phần mềm mô phỏng CST (Computer Simulation Technology) và
ADS (Advanced Design Simulation) của hãng Agilent, chế tạo thử nghiệm ăng ten loa,
và sau đó đo đạc một vài thông số kỹ thuật của ăng ten bằng các thiết bị phân tích
mạng véctơ, máy phân tích phổ, máy phát vi ba, và các máy đo khác. Xây dựng hệ
truyền công suất không dây sử dụng chùm tia vi ba công suất cao sử dụng ăng ten loa
làm ăng ten thu và tiến hành khảo sát phát thu công suất ở ngoài trời với khoảng cách
và công suất xác định.

4


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY
1.1.

Giới thiệu
Truyền điện không dây hoặc truyền năng lượng không dây là việc truyền tải

năng lượng điện từ một nguồn năng lượng tới một tải điện mà không cần dây dẫn do
con người tạo ra. Truyền dẫn không dây rất hữu ích trong trường hợp dây kết nối là bất
tiện, nguy hiểm, hoặc không thể lắp đặt.
Ý tưởng về chuyển tải điện năng đã được đưa ra từ đầu năm 1900 bởi nhà phát
minh người Serbi, Nikola Tesla trước khi lưới điện được phổ biến rộng rãi. Tesla đưa
ra ý tưởng truyền điện năng không dây bằng cách sử dụng "cuộn dây Tesla" cao thế.
Mặc dù ý tưởng khi đó chưa thực hiện thành công bởi có thể gây ra những nguy hiểm
nhưng gần đây ý tưởng về chuyển tải điện năng không dây lại bắt đầu thu hút được
nhiều nghiên cứu cùng với sự phát triển của công nghệ.
Với các ưu điểm như nêu trên, thì giải pháp truyền năng lượng không dây là giải
pháp rất tiện ích trong thời đại công nghệ phát triển mạnh mẽ như hiện nay, tuy nhiên
hạn chế lớn rất của giải pháp này hiện là kích thước ăng ten, khoảng cách và hiệu suất
truyền tải năng lượng. Vì vậy tác giả đề tài này tập trung nghiên cứu, thiết kế, mô
phỏng và chế tạo thử ăng ten có định hướng và hiệu suất cao để truyền năng lượng
không dây.
1.2.

Một số kết quả nghiên cứu truyền năng lượng không dây trên thế giới và
trong nước trong những năm gần đây

1.2.1. Một số kết quả nghiên cứu truyền năng lượng không dây trên thế giới
Năm 2006, các nhà vật lý ở Viện Công nghệ Massachussetts, Mỹ MIT đã đưa ra
cách sử dụng các sóng điện từ trong không gian. Các sóng này được sản sinh trong
truyền thông không dây Marin Soljacic và các đồng nghiệp cho rằng nếu máy thu cộng

hưởng với máy phát, các sóng này sẽ cảm ứng một dòng điện. Mới đây, nhóm đã tạo ra
một cặp ăng ten bằng đồng có dạng như hai cuộn dây, một được nối với hệ thống cấp
điện trong khi cuộn còn lại được nối với bóng đèn 60 W đặt cách đó 2 m. Khi họ cho
5


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

một dòng điện xoay chiều chạy qua, nó tạo ra một từ trường và liên kết cộng hưởng với
cuộn thứ hai, do đó cảm ứng ra một dòng điện. Nhóm của MIT khẳng định rằng dòng
điện này có thể thắp sáng bóng đèn với hiệu suất chuyển tải tới 40%, đúng như lý
thuyết của họ đã giả định (hình 1.1)

Hình 1. 1 Ảnh chụp thí nghiệm với 2 cuộn ăng ten cộng hưởng thắp sáng một bóng
điện
Mặc dù ăng ten được sử dụng ở đây có đường kính lớn tới nửa mét, nhưng
Soljacic cùng các cộng sự nói rằng có thể tạo ra hệ thống với kích thước nhỏ hơn nhiều
để sử dụng cho các thiết bị di động cầm tay mà không gây ra các cản trở về mặt kích
thước cồng kềnh.
Katie Hall là một tiến sỹ và hiện giờ bà là Giám đốc Công nghệ tại WiTricity –
một công ty mới thành lập chuyên phát triển công nghệ cộng hưởng không dây.
WiTricity xây dựng một “bộ cộng hưởng nguồn” – một cuộn dây điện phát ra từ
trường khi có điện. Nếu có một cuộn dây khác được đưa lại gần, sẽ có điện tích được
tạo ra, mà không cần đoạn dây nào cả.

6


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

“Khi bạn mang một thiết bị vào từ trường, nó tạo ra một dòng điện trong thiết bị,
và bằng cách đó bạn có thể truyền điện”, Tiến sỹ Hall giải thích. Chính vì thế, bóng đèn
trong thí nghiệm trên đã bật sáng.
Các kết quả này được công bố trên Science Express số ngày 07/6/2007.
Hiện nay, doanh thu cho truyền và nạp điện không dây trường gần lên tới trên 1
tỷ USD, nhất là sau các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu tại MIT, vấn đề này mới được
nghiên cứu mạnh mẽ, nhiều công ty lớn như Samsung, Intel đã nhanh chóng đầu tư và
đạt được rất nhiều kết quả. Việc nghiên cứu nạp năng lượng không dây công suất nhỏ
đang có những khám phá độc đáo. Ấn tượng nhất tại Hội chợ truyền thông CES 2010,
là thiết bị sạc điện thoại bằng sóng WIFI có tên gọi là RCA Airnergy. Thiết bị RCA
Airnergy đã sạc đầy điện thoại BlackBerry với 90 phút. Đây dường như là sản phẩm
tiên phong lĩnh vực sạc, truyền dẫn điện không dây. RCA Airnergy sẽ được ra mắt vào
mùa hè năm nay với giá của bộ sạc khoảng 40 USD và cục pin để lưu trữ năng lượng.
Trong khi đó việc nghiên cứu truyền công suất trường xa đã được quan tâm
mạnh từ những năm 1973, 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. Ví dụ như các dự án năng lượng mặt trời của Xenotech Research đã xây dựng một
trạm năng lượng mặt trời trên quỹ đạo, triển khai hoạt động vào tháng 10/2010. Dự án
sản xuất điện năng công suất 1 GW 9/2009, Nhật Bản đã triển khai xây dựng một nhà
máy điện năng lượng mặt trời tại quỹ đạo GEO, công suất 1 GW, truyền về Trái đất
băng tia vi ba và laser, dự kiến hoạt động vào năm 2030 để thay thế dần cho năng lượng
hạt nhân.
1.2.2. Một số kết quả nghiên cứu truyền năng lượng không dây trong nước
Việc nghiên cứu truyền năng lượng không dây được triển khai ở Việt nam
khoảng đầu những năm 2000, bắt đầu từ nhóm nghiên cứu do GS.TSKH Đào Khắc An,
Viện Viện Viện Khoa học và công nghệ Việt nam lãnh đạo với đề tài: “Nghiên cứu tiếp
cận các giải pháp KHCN thu nhận biến đổi và truyền năng lượng mặt trời từ vũ trụ về
7

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

mặt đất” thuộc Chương trình Khoa học Vũ trụ Việt nam, thực hiện trong giai đoạn
1/2009 - 12/2010. Trong giai đoạn 2013-2015 nhóm nghiên cứu lại tiếp tục thực hiện đề
tài “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” thuộc Chương trình
Khoa học Vũ trụ Việt nam. Nhóm nghiên cứu đã có nhiều bài báo khoa học đăng trên
các tạp chí uy tín trong nước và trên thế giới.
Tại Trường đại học Bách khoa Hà nội, việc nghiên cứu truyền tải và nạp năng
lượng không dây được thực hiện trong vài năm gần đây. Nhóm nghiên cứu do TS. Lâm
Hồng Thạch phụ trách đã hợp tác nghiên cứu với nhóm nghiên cứu do GS.TSKH Đào
Khắc An, Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam lãnh đạo. Nhóm đã nghiên cứu mô
phỏng bài toán truyền năng lượng không dây và tham gia chế tạo thử nghiệm hệ thiết bị
truyền năng lượng bằng chùm tia vi ba công suất cao ở quy mô phòng thí nghiệm có
công suất nhỏ, cùng với GS.TSKH Đào Khắc An thực hiện Đề tài thuộc Chương trình
Khoa học Vũ trụ Việt Nam, giai đoạn 2013 – 2016.
1.3.

Giới thiệu các phương pháp truyền năng lượng không dây

1.3.1. Truyền năng lượng bằng phương pháp cảm ứng điện từ
Theo định luật Farađây về cảm ứng điện từ, độ lớn của dòng điện cảm ứng phụ
thuộc vào tốc độ biến thiên của từ trường và chiều của dòng điện phụ thuộc vào độ
tăng hay giảm của từ trường đó.
Ta đặt hai cuộn dây gần nhau như thể hiện trong hình dưới đây:

8


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

Hình 1. 2 Truyền điện không dây trường gần nhờ cảm ứng điện từ
Dòng điện đi qua cuộn dây (cuộn phát) tạo nên trường điện từ lan truyền qua
không gian xung quanh, cuộn dây thứ hai (cuộn thu) gắn tải (ví dụ bóng đèn chẳng
hạn) cảm ứng điện trường này sinh ra dòng điện để thắp sáng.
Nguyên lý cảm ứng điện từ cộng hưởng:
Trên hình 1.2, khi di chuyển hai cuộn dây ra xa nhau, hiệu suất truyền sẽ giảm
mạnh. Đó là lý do tại sao hai cuộn dây phải được đặt đủ gần nhau. Tuy nhiên, nếu cuộn
dây phát và thu có cùng tần số cộng hưởng, được xác định bởi các vật liệu và hình
dạng của các cuộn dây, hiệu suất truyền sẽ giảm ít hơn rất nhiều khi họ di chuyển hai
cuộn dây ra xa nhau. Hiện tượng này được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền năng
lượng không dây.
Hình 1.3 là hình ảnh cuộn dây trong hệ cảm ứng cộng hưởng điện từ. Trên hình
ta thấy để truyền điện qua khoảng cách xa hơn mà ít tổn thất năng lượng, người ta đưa
thêm tụ điện ở hai cuộn dây phát và thu để tạo thành mạch cộng hưởng. Tần số cộng
hưởng được xác định bởi điện dung của tụ điện và điện cảm của cuộn dây. Một cuộn
phát có thể cấp nguồn (điện) cho nhiều cuộn thu (cùng tần số cộng hưởng). Nếu cuộn
thu không cùng tần số cộng hưởng, không có việc truyền điện

9


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

Hình 1. 3 Hiện tượng cộng hưởng cảm ứng
1.3.2. Phương pháp truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia viba và chùm
tia la de
Trong phương pháp sử dụng chùm tia vi ba, năng lượng sóng siêu cao tần
truyền từ ăng ten phát đến ăng ten thu trong một búp sóng rất hẹp với mong muốn
hầu như toàn bộ năng lượng bức xạ từ ăng ten phát sẽ đến được ăng ten thu nhằm

đạt được hiệu suất truyền cao nhất. Sơ đồ một hệ thống truyền năng lương không
dây sử dụng chùm tia vi ba được mô tả trên hình 1.5

Hình 1. 4 Sơ đồ một hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia vi ba

10


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

Trong phương pháp sử dụng chùm tia la de, nguyên tắc tương tự, chỉ khác
bước sóng, năng lượng sóng ánh sáng truyền từ ăng ten phát đến ăng ten thu trong
một búp sóng rất hẹp.
1.3.3. Sơ đồ khối một hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia viba
Một hệ thống truyền năng lương không dây sử dụng chùm tia vi ba phải bao
gồm các khối sau:
-

Khối tạo dao động cao tần, từ nguồn một chiều DC hay nguồn xoay chiều AC
Ăng ten phát, để có được hệ số định hướng cao ăng ten phát phải có diện tích
hiệu dụng lớn (ăng ten bức xạ mặt) hoặc có nhiều phần tử (Ăng ten mảng MxN
phần tử). Đây là yếu tố rất quan trọng trong hệ thống.

- Đường truyền năng lượng sóng điện từ qua không gian
- Ăng ten thu có kết hợp mạch chỉnh lưu (rectenna) để chuyển năng lượng cao tần
thu được trở về một chiều.
Sơ đồ khối một hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia vi ba
được vẽ trên hình 1.5

Chuyển đổi nguồn một chiều

DC sang cao tần RF
( DC - to – RF transmitter )

Nguồn cao tần
( RF source)

Ăng ten
phát
( Transmiter
antenna )

Truyền qua không gian
( Free space channel
transmission)

Thu, chuyển đổi tín hiệu cao tần
RF thành nguồn một chiều DC
( RF – to – DC receiver )

Chùm tia RF
định hướng
( Directed
beam )

Ăng ten thu
( Receiver
antenna )

Mạch chỉnh
lưu

( Rectifier
circuit )

Hình 1. 5 Sơ đồ khối một hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia vi
ba
1.4.

Hiệu suất truyền sóng vi ba. Vai trò của ăng ten

11


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

Công suất của sóng điện từ được truyền từ ăng ten phát đến ăng ten thu.

Ở đây :

Pr là công suất nhận được trên ăng ten thu
Pt là công suất bức xạ của ăng ten phát
Ar là diện tích hiệu dụng của ăng ten thu
At là diện tích hiệu dụng của ăng ten phát
λ là bước sóng của sóng vi ba
D là khoảng cách giữa phát và thu

Chúng ta sử dụng thông số τ dưới đây để tính toán công suất thu hoặc hiệu suất
chùm tia η [5].
2 



At Ar
( D ) 2

2
Pr
 1  e
Pt

(1.2)
(1.3)

Phương trình (1.3) là một phương trình gần đúng [5].
Từ phương trình(1.2), chúng ta có thể thấy rằng thông số τ2 chỉ hiệu suất chùm
tia được tính bằng phương trình (1.1). Phương trình (1.2) chỉ ra rằng, đối với khoảng
cách và tần số cho trước, để nâng cao hiệu suất chùm tia thì chúng ta cần phải sử dụng
ăng ten có khẩu độ lớn. Hiệu suất chùm tia trong trường xa và trong trường gần sử dụng
thông số τ được thể hiện trên hình 1.6.

12


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

Hình 1. 6 Hiệu suất chùm tia sử dụng thông số τ
Chúng ta có thể tăng hiệu suất chùm tia đến gần 100% với τ > 2 trong trường
gần. Lý thuyết này không phụ thuộc vào công suất. Khi khoảng cách giữa ăng ten phát
và ăng ten thu ngắn thì τ lớn hơn.
Các công thức 1.1 và 1.2 cho thấy vai trò quan trọng của ăng ten thu phát (xét cả về
kích thước và tính định hướng) trong việc nân cao hiệu suất suất truyền công suất không

dây sử dụng chùm tia vi ba
Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi từ nguồn một chiều sang sóng vi ba tần số cao
(DC-RF) và ngược lại (RF-DC) giảm ở các tần số cao hơn. Chính vì vậy, tổng hiệu suất
của hệ truyền công suất không dây bằng sóng vi ba được tính xấp xỉ khoảng 50% bao
gồm các hiệu suất chuyển đổi DC-RF, hiệu suất chùm tia, hiệu suất hấp thụ của ăng ten
thu và hiệu suất chuyển đổi RF-DC của mạch chỉnh lưu công suất.
1.5.

Kết luận
Trong chương 1 luận văn đã trình bày các vấn đề chung về truyền công suất

không dây, qua đó nhận thấy phương pháp tuyền năng lượng không dây sử dụng chùm
tia viba rất phù hợp với yêu cầu truyền định hướng để đạt được hiệu suất truyền năng
lượng cao.

13


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Hà Thị Hiền- CA140064-2014A

Với lựa chọn phương án truyền năng lượng không dây sử dụng chùm tia Viba,
thì trong chương 2 dưới đây luận văn sẽ trình bày về lý thuyết ăng ten nói chung và
ăng ten loa nói riêng, nêu rõ ăng ten loa đáp ứng yêu cầu nâng cao hiệu suất truyền
công suất không dây sử dụng chùm tia vi ba.

14