NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY DẢI SÓNG 2.45GHz

Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz

LỜI CẢM ƠN
Nguyễn Thị Huyền

Page 1


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Bạch Gia Dương, thầy đã tận tình giúp đỡ,
chỉ bảo hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị trung tâm nghiên cứu
điện tử viễn thông – Khoa điện tử viễn thông Trường Đại học Công Nghệ đã giúp đỡ
em trong quá trình thực hiện luận văn này.
Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng vì thời gian có hạn và vốn kiến thức còn rất
hạn chế nên công trình còn nhiều thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng
góp, chỉ bảo của các thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN
Nguyễn Thị Huyền

1
Page 2


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz

LỜI CẢM ƠN

2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG

6

LỜI MỞ ĐẦU

9

1. Lý do chọn đề tài

9

2. Mục tiêu của đề tài

9

3. Phương pháp nghiên cứu

10

4. Nội dung nghiên cứu

10

4.1 Nghiên cứu lý thuyết

10

4.2 Thiết kế hệ thống

10

5. Kết cấu luận văn
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY

11
12

1.1 Lịch sử truyển năng lượng không dây

12

1.2 Khái niệm, đặc điểm về trường gần và trường xa

15

1.2.1 Khái niệm

15

1.2.2 Một số đặc tính truyền sóng trong miền trường gần

16

1.3 Một số phương pháp truyền năng lượng không dây ở trường gần và
trường trung

17

1.3.1 Phương pháp liên kết cảm ứng từ

18

1.3.2 Truyền năng lượng bằng phương pháp cảm ứng điện từ

19

1.3.3 Một số ứng dụng của truyền năng lượng trường gần

23

1.4 truyền năng lượng không dây với trường xa

24

1.4.1 Công nghệ chùm tia Laser công suất cao

24

1.4.2 Công nghệ truyền năng lượng bằng chùm tia vi ba

26

1.5 Một số vấn đề liên quan

30

1.5.1 Không gian truyền dẫn năng lượng không dây

30

1.5.2 Về độ an toàn

31

1.5.3 Về mức độ phát triển và kết quả đạt được

31

Nguyễn Thị Huyền

Page 3


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz

1.6 Một số ưu, nhược điểm của truyền năng lượng không dây và khó
khăn, thách thức
1.7 Kết luận
CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN

31
34
35

2.1 Giới thiệu chung

35

2.2 Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần

36

2.2.1 Các loại đường truyền

36

2.2.2 Phương trình truyền sóng

37

2.2.3 Hệ số phản xạ

39

2.2.4 Hệ số sóng đứng

40

2.2.5 Giãn đồ Smith

41

2.3 Phối hợp trở kháng

43

2.3.1 Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung
2.3.2 Phối hợp trở kháng dải hẹp bằng những đoạn dây dẫn sóng mắc
liên tiếp
2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng dây chêm
CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH ĐẠI 45W VÀ LỰU CHỌN GIẢI
PHÁP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY

44
46
48
52

3.1 Sơ đồ khối tuyến phát của hệ thống truyền năng lượng không dây

52

3.2 Thiết kế và mô phỏng bộ khuếch đại 45W

52

3.2.1 Transistor PTFA 240451E

53

3.2.2 Phương pháp phối hợp trở kháng

53

3.2.3 Tính toán mô phỏng và thiết kế

53

3.2.4 Đo đạc kết quả và nhận xét

63

3.3 Giải pháp truyền năng lượng không dây

64

KẾT LUẬN

67

TÀI LIỆU THAM KHẢO

69

Nguyễn Thị Huyền

Page 4


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG

Hình 1.1

Hình 1.1 Tháp Wardenclyffe do Nikola Tesla xây dựng

13

Hình 1.2

Hình trong patent gốc về phương pháp truyền năng lượng

14

không dây từ vũ trụ về mặt đất của Peter Glaser (1973)
Hình 1.3

Sự phân chia các vùng trường gần, trường xa, vùng chuyển

16

tiếp theo bước sóng
Hình 1.4

Sơ đồ tương đương của một biến thế, năng lượng được

19

truyền không dây theo nguyên lý cảm ứng khi hai cuộn dây
ở sát nhau nhưng không tiếp xúc trực tiếp
Hình 1.5

Hệ thống cuộn cảm hình ống đơn lớp cùng với tụ điện dung

Nguyễn Thị Huyền

22
Page 5


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz

(a) và cuộn cảm spiral xoắn trên một mặt phẳng cùng mạch
điện (b)
Hình 1.6

Mô hình hệ thống của Tesla

23

Hình 1.7

Mô hình nguyên lý về phương pháp truyền năng lượng

25

không dây từ vũ trụ về mặt đất bằng chùm tia Laser a,b,c)
và một vài ứng dụng trong lĩnh vực quân sự e,f)
Hình 1.8

Các thành phần của hệ thống SPS

27

Hình 1.9

Sơ đồ khối của Rectenna

29

Hình 1.10

Một số hoạt động về truyền thông tin và truyền năng lượng

32

không dây sử dụng chùm tia Vi ba và Laser trong vũ trụ
trong tương lai gần
Hình 2.1

Phổ tần số của sóng điện từ

35

Hình 2.2

Các dạng đường truyền sóng

37

Hình 2.3

38

Hình 2.4

Biểu diễn mạch tương đương của một đoạn đường truyền
sóng siêu cao tần
Giãn đồ Smith chuẩn

Hình 2.5

Sơ đồ phối hợp trở kháng

44

Hình 2.6

Mạch phối hợp trở kháng hình L

44

Hình 2.7

Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây λ\4

46

Hình 2.8

Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ

47

Hình 2.9

Phối hợp trở kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp

47

Hình 2.10

Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây chêm

48

Hình 2.11

Biểu diễn trên đồ thị Smith

49

Hình 2.12

Phối hợp trở kháng bằng dây chêm đôi

51

Hình 3.1

Sơ đồ khối tuyến phát của hệ thống truyền năng lượng

52

43

không dây
Hình 3.2

Đặc trưng công suất đầu ra, độ lợi và hiệu suất của

Nguyễn Thị Huyền

53

Page 6


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz

transistor PTFA 240451E
Hình 3.3

Layout của Transistor SPF-3043

55

Hình 3.4

Hệ số khuếch đại của Transistor SPF-3043

55

Hình 3.5

Sơ đồ nguyên lý mạch tiền khuếch đại lối vào

56

Hình 3.6

Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại lối vào

57

Hình 3.7

Sơ đồ nguyên lý mạch tiền khuếch đại lối ra

57

Hình 3.8

Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại lối ra

58

Hình 3.9

Sơ đồ nguyên lý tuyến phát nhánh lối ra

58

Hình 3.10

Kết quả mô phỏng tuyến phát nhánh lối ra

59

Hình 2.11

Sơ đồ nguyên lý tuyến phát nhánh lối vào

59

Hình 3.12

Kết quả mô phỏng tuyến phát nhánh lối vào

60

Hình 3.13

Kết quả mô phỏng bằng giãn đồ Smith trên ADS

60

Hình 3.14

Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng nhánh lối vào

61

Hình 3.15

Kết quả mô phỏng hệ số sóng đứng nhánh lối ra

61

Hình 3.16

Sơ đồ phân cực cho khuếch đại công suất LDMOS sử dụng

62

công nghệ mạch dải
Hình 3.17

Layout của mạch khuếch đại

63

Hình 3.18

Mạch thực tế của bộ khuếch đại công suất 45W

63

Hình 3.19

Kết quả đo thực nghiệm tham số S11

64

Hình 3.20

Rectenna của trạm thu

64

Hình 3.21

Các kiểu chỉnh lưu siêu cao tần

65

Hình 3.22

Cấu trúc bộ chỉnh lưu điển

65

Nguyễn Thị Huyền

Page 7


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz

LỜI MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hiện nay thế giới đang khai thác mạnh các nguồn năng lượng dựa trên nhiên
liệu hóa thạch như là than đá, dầu mỏ, khí đốt… phục vụ đời sống, sinh hoạt, sản xuất
của con người . Tuy nhiên, các dạng năng lượng này đều có hạn, có khả năng cạn kiệt
trong thời gian tới.

Chính vì thế, các nguồn năng lượng sạch, tái tạo đang rất được quan tâm khai
thác như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, nhiên liệu sinh học, pin nhiên liệu. Để
có thể đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài cho loài người, từ nhiều thập kỷ nay, các
nhà khoa học đã và đang tập trung tìm kiếm các nguồn năng lượng mới, trong đó có
nguồn năng lượng mặt trời truyền không dây từ vũ trụ về mặt đất bằng công nghệ
chùm tia vi ba và laser công suất cao.
Để tiếp cận vấn đề khai thác năng lượng mặt trời, luận văn tập trung nghiên
cứu với đề tài “ Nghiên cứu truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45 GHz”.

2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Để truyền được nguồn năng lượng từ vũ trụ về trái đất, có nhiều phương pháp để
thực hiện tùy thuộc và bán kính truyền dẫn, trường gần hay trường xa. Với trường xa,
sử dụng công nghệ chùm laser công suất cao hoặc vi ba. Nhưng theo nghiên cứu của
các nhà khoa học, sử dụng chùm laser đạt hiệu suất thấp hơn sử dụng chùm tia vi ba.
Mặt khác, dải tần để truyền dẫn năng lượng không dây từ vũ trụ về trái đất là dưới
2,45GHz hoặc 2,45GHz – 5,5GHz, tuy nhiên cũng theo nghiên cứu cho thấy truyền ở
tần số cao 5,5GHZ thì kích thước hệ thống rectenna nhỏ gọn, đơn giản nhưng hiệu
suất lại thấp, còn truyền ở tần số thấp hơn 2,45 thì hiệu suất cao hơn nhưng kích thước
rectenna lại lớn. Để cân bằng giữa hiệu suất và kích thước hệ thống antenna thu luận
văn chọn giải pháp truyền năng lượng không dây với tần số truyền là 2,45GHz.

Nguyễn Thị Huyền

Page 8


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz
Một vấn đề nữa là do truyền ở trường xa thì búp sóng loe ra dẫn đến khó điều
chỉnh, nên luận văn xây dựng mô hình ở trường gần và tập trung thiết kế tuyến phát
của mô hình truyền năng lượng không dây ở tần số 2,45GHz.

3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để thực hiện chuyên đề trên, phương pháp nghiên cứu được sử dụng gồm:
 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp phân tích và tổng
hợp lý thuyết, cập nhật và xử lý tài liệu liên quan về thiết kế mạch điện siêu
cao tần, nghiên cứu phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS 2009;
 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Sử dụng phương pháp quan sát khoa
học để tìm hiểu mạch khuếch đại tạp công suất đã có trên cơ sở đó thiết kế
mạch khuếch đại công suất 45W với các thông số Gain, NF, phối hợp trở


kháng tốt hơn;
Phương pháp mô phỏng: Trên cơ sở thiết kế đã có thực hiện mô phỏng trên
phần mềm chuyên dụng ADS, sau khi đạt chỉ tiêu kỹ thuật sẽ tiến hành chế
tạo thử nghiệm mạch khuếch đại công suất 45W;

4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
4.1 Nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu về mô hình truyền năng lượng không dây SPS.
- Nghiên cứu kỹ thuật phối hợp trở kháng trong kỹ thuật siêu cao tần
- Nghiên cứu phần mềm mô phỏng ADS và transistor PTFA - 240451E
và SPF 3043
4.2 Thiết kế hệ thống
- Thiết kế và mô phỏng tầng kích công suất
- Mô phỏng tuyến phát dùng LDMOS
- Thiết kế layout cho mạch khuếch đại
- Lắp ráp và đo thử nghiệm trên máy phân tích mạng Advantest R3765CG –
Network analyzer 300 KHz – 3,8 GHz

5. KẾT CẤU LUẬN VĂN

Nội dung luận văn bao gồm ba chương:
Chương 1: Tổng quan về truyền năng lượng không dây
Chương 2: Lý thuyết chung về kỹ thuật siêu cao tần

Nguyễn Thị Huyền

Page 9


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz
Chương 3: Chế tạo bộ khuếch đại 45W và lựa chọn giải pháp
truyền năng lượng không dây

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY
Truyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây WPT (Wireless
Power Transmission) là quá trình truyền năng lượng cao từ một điểm đến một điểm
nào đó không cần dây dẫn. Truyền năng lượng không dây, về cơ bản khác với truyền
Nguyễn Thị Huyền

Page 10


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz
thông tin không dây trong viễn thông (như radio, TV, Rada, Mobilphone), ở đó thông
tin được biến điệu truyền đi mọi hướng, tín hiệu có trong một dải tần xác định, công
suất tín hiệu ở đầu thu thường rất nhỏ (cỡ nW đến µW)… còn trong lĩnh vực truyền
năng lượng không dây thì độ lớn và hiệu suất truyền năng lượng là quan trọng nhất,
năng lượng chỉ truyền theo một chiều xác định.

Phần lớn các hệ thống truyền năng lượng không dây trường gần dựa trên nguyên
lý cảm ứng từ và cảm ứng điện từ. Về sau công nghệ truyền năng lượng không dây
trường xa được thực hiện bằng nguyên lý phóng chùm tia công suất (powerbeam) ở
dạng tia vi ba hay tia laser để truyền công suất lớn (cỡ KW, MW thậm chí thiết kế đến
cỡ GW) từ vũ trụ về bề mặt trái đất.

1.1 LỊCH SỬ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY
Về mặt lịch sử truyền năng lượng không dây được nghiên cứu triển khai rất sớm,
cách đây khoảng 150 năm, bắt đầu từ các khái niệm và ý tưởng về truyền năng lượng
mà không cần dùng đường dây tải điện cao thế do Nicolai Tesla khởi xướng. Tuy
nhiên từ đó đến nay kết quả lý thuyết và thực nghiệm về truyền công suất không dây
đã không tiến bộ nhiều so với công nghệ truyền thông tin do thiếu mô hình lý thuyết
và công nghệ mới phù hợp.
Nikola Tesla là người phát minh ra radio, ông được coi là cha đẻ của truyền dẫn
không dây. Ông là một trong những người đầu tiên đưa ra ý tưởng truyền năng lượng
không dây và ông đã chứng minh cũng như rất tin tưởng vào việc truyền năng lượng
điện không dây từ rất sớm vào năm 1891. Năm 1893 Nikola Tesla đã biểu diễn sự thắp
sáng không dây cho các bóng đèn huỳnh quang tại triển lãm Chicago. Tháp
Wardenclyffe được ông thiết kế chủ yếu cho việc truyền năng lượng điện không
dây hơn là truyền điện tín. Năm 1900 với việc triển khai truyền năng lượng 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 được một số kết quả đáng khích lệ trong lĩnh vực
truyền không dây. Một số nhà nghiên cứu sau đó đã triển khai nhiều nghiên cứu thí
nghiệm về truyền năng không dây trường gần dùng để nạp điện cho một số thiết bị
như máy điện, ôtô, xe điện, máy tính, điện thoại di động...
Nguyễn Thị Huyền

Page 11

Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz

Hình 1.1 Tháp Wardenclyffe do Nikola Tesla xây dựng [9]
Năm 1961 Brown đã đăng bài báo đầu tiên đề xuất việc truyền năng lượng bằng
sóng vi ba và năm 1964 ông đã trình diễn mô hình máy bay trực thăng thu năng lượng
từ chùm tia vi ba để bay ở tần số 2,45GHz trong dải tần dành cho các ứng dụng về
công nghiệp, nghiên cứu khoa học và y tế, chúng ta gọi là băng tần ISM (Industry,
Science and Medical).
Năm 1973 Glaser Peter đã xây dựng mô hình hệ truyền năng lượng không dây
bằng chùm tia Vi ba như hình vẽ dưới:

Hình 1.2 Hình trong patent gốc về phương pháp truyền năng lượng không dây từ vũ
Nguyễn Thị Huyền

Page 12


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz
trụ về mặt đất của Peter Glaser (1973) a); nguyên lý mô hình
hệ truyền năng lượng không dây bằng chùm tia Vi ba, b,c); và hệ thống rectena thu
chùm tia Vi ba trên mặt đất chuyển sang dạng điện năng d)
Sau patent của Glaser Peter dùng chùm tia vi ba hay laser công suất cao để truyền
công suất từ quỹ đạo GEO, MEO hay LEO trên vũ trụ về mặt đất. Từ đó đến nay đã
có hàng chục dự án lớn ở Mỹ, Nhật, châu Âu, Trung quốc, Ấn Độ được triển khai với
đầu tư hàng chục tỷ USD và đã thu được nhiều kết quả tốt.
Việc thử nghiệm truyền không dây với công suất vài chục kW đã được thực hiện
năm 1975 tại Goldstone ở California và năm 1997 ở Grand Bassin trên đảo Reunion.
[1], [4].
Năm 2001, công ty Splashpower ở Anh đã sử dụng các cuộn dây cộng Hưởng
trong một mặt phẳng để truyền hàng chục Watt vào các thiết bị khác nhau bao gồm cả

đèn chiếu sáng, điện thoại di động, iPod, ....
Năm 2004 phương thức truyền công suất cảm ứng đã được sử dụng khá rộng rãi
cho nhiều công đoạn khác nhau, doanh thu cho nạp điện không dây đạt khoảng 1 tỷ
USD đối với các lĩnh vực bán dẫn, LCD và chế tạo màn hình plasma. Sau các nghiên
cứu lý thuyết tường minh hơn và 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 ấn tượng.
Năm 2007 một nhóm nghiên cứu do giáo sư Marin Soljacic ở MIT đã truyền năng
lượng không dây để thắp sáng một đèn điện 60W với hiệu suất 40% với khoảng cách
2m, sử dụng hai cuộn dây có đường kính 60 cm, nhóm đã phát triển lý thuyết truyền
năng lượng không dây tường minh hơn.
Năm 2008 Intel đã lặp lại các thí nghiệm của Tesla trong năm 1894 và của giáo
sư John Boys trong năm 1988 bằng cách cấp điện không dây cho một bóng đèn ở cự
ly gần với hiệu suất đạt 75%.

Nguyễn Thị Huyền

Page 13


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz
Năm 2010 tập đoàn Haier biểu diễn TV với màn hình LCD hoàn toàn không
dây đầu tiên trên thế giới tại hội chợ CES 2010 trên cơ sở các nghiên cứu của nhóm
của giáo sư Marin Soljacic ở MIT về WPT và giao diện số không dây trong nhà.[4].

1.2 KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC ĐIỂM VỀ TRƯỜNG GẦN VÀ TRƯỜNG XA
1.2.1 Khái niệm
Sóng điện từ do antenna phát ra có thể phân chia ra một số vùng miền khác
nhau phụ thuộc cấu trúc antenna, tần số công suất của sóng và sự tương tác của chúng
với không gian truyền dẫn. Thường người ta chia làm ba vùng đó là: trường gần và

trường xa, giữa chúng là vùng chuyển tiếp.
Sóng điện từ phát ra từ antenna thể hiện đặc tính nổi trội rất khác nhau trong
mỗi vùng từ vị trí antenna phát sóng. Sự phân chia ra các vùng là dựa trên bản chất
của trường điện từ là hàm của khoảng cách từ nguồn phát. Biên các vùng thường được
đo bằng hàm của bước sóng. Ngoài ra, đặc tính của trường điện từ thay đổi ngay trong
từng vùng và phụ thuộc vào cấu trúc của từng loại antenna sử dụng để truyền sóng.

Hình 1.3 Sự phân chia các vùng trường gần, trường xa, vùng chuyển tiếp theo bước
sóng
Hình 1.3 biểu thị một số miền truyền sóng của một antenna đặc trưng theo quan
điểm đặc tính sóng và theo tỷ lệ kích thước giữa antenna và bước sóng. Như vậy từ
Nguyễn Thị Huyền

Page 14


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz
hình vẽ ta thấy, miền trường gần có hai miền là miền không phát xạ và miền mang đặc
tính phát xạ. Độ lớn miền trường gần cỡ một bước sóng. Miền trường trung cũng có
khoảng cách một bước sóng. Sau đó là miền trường xa, sóng điện từ ở đây truyền tự
do trong không gian, sóng có thể phân cực hay không phân cực phụ thuộc vào đặc tính
môi trường và tương tác giữa E và H.[4].

1.2.2 Một số đặc tính truyền sóng trong miền trường gần và trường xa
Sóng điện từ bao gồm thành phần điện trường E và từ trường H, tùy theo đặc
tính môi trường chúng có thể mang theo một số đặc tính như: suy hao, tán sắc, phân
cực…
 Trong miền trường gần
Mối quan hệ giữa E và H rất phức tạp, sóng có thể phân cực đồng thời theo nhiều
cách tại cùng một vị trí không gian. Trường điện từ trong miền trường gần đều là hàm

của bước sóng hoặc khoảng cách.
 Miền trường gần tương tác hoặc không phát xạ
Trong miền này mối quan hệ giữa E và H rất phức tạp, từng thành phần (E và
H) có thể nổi trội trong từng mỗi điểm, các mối tương quan trái chiều cũng có thể xảy
ra trong vùng trường gần. Do vậy rất khó hoặc có thể không thể xác định chính xác
mật độ bức xạ , khi tính bức xạ không những cần biết độ lớn của E, H mà còn cần biết
pha của chúng. Trong miền này, trường điện từ không chỉ có xu hướng truyền phát
hướng ra phía vùng trường xa phía bên ngoài, mà còn có thành phần phản ứng đối với
sóng điện từ , nghĩa là bản chất của trường bao quanh antenna có tính chất rất nhạy
cảm ứng và có tương tác. Sóng cũng bị hấp thụ nhiều trong miền này. Ở gần antenna,
một phần năng lượng có thể truyền qua - lại và lưu trữ tại miền gần bề mặt antenna.
Phần năng lượng này được truyền qua lại từ bề mặt antenna tới vùng trường gần phản
ứng bởi bức xạ điện từ với các hiệu ứng tĩnh từ và tĩnh điện biến đổi một cách rất
chậm. Do có một phần năng lượng lưu trú và dịch chuyển qua lại và nếu như một
trong hai hiệu ứng từ và cảm ứng tĩnh điện trong miền trường gần phản ứng truyền
Nguyễn Thị Huyền

Page 15


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz
được năng lượng cho các điện tử trong vật dẫn của antenna thì năng lượng này sẽ bị
suy hao mất mát.
 Miền trường phát xạ
Trong miền này không chứa các thành phần trường phản ứng từ nguồn antenna,
vì có khoảng cách hơi xa tính từ bề mặt antenna, do vậy sự liên kết ngược của các
thành phần trường khác nhau bị hạn chế và do vậy sự lưu trữ một phần năng lượng
biến đổi qua lại giữa các hiệu ứng cảm ứng từ và cảm ứng điện dung bị hạn chế. Năng
lượng trong miền trường gần phát xạ hoàn toàn là năng lượng phát xạ mặc dầu đặc
tính của điện trường E và từ trường H vẫn rất khác so với miền trường xa

 Trong miền trường xa
Mối quan hệ giữa E và H mang đặc tính sóng phân cực (phân cực thẳng đứng,
ngang, tròn, ellips) truyền tự do, ở đó E và H luôn đi cùng nhau, tại mọi thời điểm
trong không gian. Trong miền trường xa, phân bố của trường cùng với góc pha nào
đó về cơ bản là không phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn antenna phát cũng như
không phụ thuộc vào cấu trúc antenna. Trở kháng của sóng truyền trong vùng
trường xa là tỷ số độ lớn của điện trường lên trên trường, trong trường xa chúng có
pha giống nhau. Do vậy trở kháng trong trường xa được định nghĩa như sau:
Z0 = µ0C0

1.3 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY Ở
TRƯỜNG GẦN VÀ TRƯỜNG TRUNG
Kỹ thuật truyền năng lượng không dây ở trường gần chỉ đạt một khoảng cách
có thể so sánh với hoặc hơn một lần so với đường kính của antenna phát (nguồn) phát,
và có thể lên tới khoảng cách ¼ đến ½ bước sóng. Năng lượng trường gần có đặc tính
là không bức xạ, có một số mất mát bức xạ thường xảy ra. Ngoài ra các mất mát trên
điện trở môi trường cũng thường xuyên xuất hiện. Truyền trường gần còn sử dụng
nguyên lý cảm ứng từ, tuy nhiên cũng có khả năng sử dụng cảm ứng điện dung để
truyền năng lượng.[4].
Nguyễn Thị Huyền

Page 16


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz
1.3.1 Phương pháp liên kết cảm ứng từ
Truyền năng lượng thực hiện bởi liên kết cảm ứng từ đó chính là cảm ứng
tương hỗ từ trong một biến thế điện. Đây là một ví dụ đơn giản nhất về truyền năng
lượng không dây được dùng sớm nhất. Ở đây các mạch điện sơ cấp và thứ cấp không
trực tiếp nối với nhau. Nhược điểm chính của cách này là khoảng cách truyền rất

ngắn. Hai cuộc dây sơ cấp và thứ cấp ở sất ngay bên nhau, hoặc lồng vào nhau.
Cảm ứng tương hỗ sẽ xuất hiện khi có sự thay đổi của dòng điện trong một
cuộn dây, khi đó sẽ có điện thế cảm ứng trong cuộn dây bên cạnh. Nhưng nó cũng gây
ra sự cảm ứng không mong muốn giữa các cuộn dây dẫn trong một mạch điện. Hệ số
cảm ứng M có giá trị 1 và 0, nó có giá trị được tính bằng công thức sau:
M = k L1L2
Ở đó k là hệ số cảm hỗ với 0 ≤ k ≤ 1, L1 là độ cảm của cuộn dây sơ cấp và L2 là độ
cảm của cuộn dây thứ cấp

Hình 1.4 Sơ đồ tương đương của một biến thế, năng lượng được truyền không dây
theo nguyên lý cảm ứng khi hai cuộn dây ở sát nhau nhưng không tiếp xúc trực tiếp

1.3.2 Truyền năng lượng bằng phương pháp cảm ứng điện từ.
 Truyền năng lượng theo nguyên lý cảm ứng từ cộng hưởng
Hiện tượng cộng hưởng điện có thể xẩy ra trong mạch điện LC tại một tần số
cộng hưởng khi mạch điện thỏa mãn một số điều kiện xác định. Hiện tượng cộng
hưởng này thường xuyên xẩy ra khi trở kháng giữa lối vào và lối ra gần bằng giá trị 0
Nguyễn Thị Huyền

Page 17


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz
và hàm truyền đạt cực đại, có giá trị bằng 1. Tại tần số cộng hưởng, các mạch điện sẽ
phát tiếng kêu rung rú, và thường phát sinh ra thế hiệu lớn hơn thế hiệu cùng cấp ở lối
vào vào. Hiện tượng này được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền năng lượng
không dây.
Trong mạch điện chứa thành phần L và C, khi đặt một thế hiệu vào mạch điện
thì sẽ có một trường điện từ sinh ra trong cuộn cảm L, trường này làm phát sinh dòng
điện, dòng điện này sẽ nạp điện tích vào hai má của tụ điện, khi đầy điện tích sẽ có

quá trình phóng điện tạo ra dòng điện, dòng điện này lại tạo ra từ trường trong cuộn
cảm, quá trình này cứ lặp đi lặp lại. Trong một số trường hợp cộng hưởng xẩy ra khi
giá trị cảm kháng bằng giá trị dung kháng và năng lượng điện dao động giữa từ trường
của cuộn cảm và điện trường của điện dung. Tại tần số cộng hưởng thì trở kháng nối
tiếp của hai thành phần là cực tiểu còn trở kháng song song là cực đại.
Hiện tượng công hưởng được sử dụng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, như để
dò tìm sóng (tuning) sóng radio, và lọc sóng chỉ cho một tần số đi qua dùng trong kỹ
thuật đo lường, Tại tần số cộng hưởng giá trị cảm kháng và dung kháng có độ lớn
bằng nhau nên ta có

= 1/ C, và do vậy tần số công hưởng được tính bằng:

=
Ở đó

= 2πf là tần số cộng hưởng có đơn vị là (Hz). L là cảm kháng có đơn vị

là (H), C là điện dung có đơn vị (F) khi sử dụng hệ đơn vị SI.

 Truyền năng lượng cộng hưởng
Truyền năng lượng cộng hưởng hoặc liên kết cảm ứng cộng hưởng là sự truyền
năng lượng không dây trường gần giữa hai cuộn dây, chúng có cộng hưởng cao tại
một tần số. Biến thế cộng hưởng là thiết bị thường được dùng để thực hiện việc này.
Trong số nhiều biến thế cộng hưởng thì loại biến thế cộng hưởng này có hệ số phẩm
chất Q cao và thường không dùng lõi sắt để loại trừ sự suy hao do lõi sắt gây ra. Các
Nguyễn Thị Huyền

Page 18

Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz
cuộn dây trong biến thế cộng hưởng có thể nằm chung trong một khối cạnh nhau hoặc
các cuộn dây nằm tách biệt ở hai khối thiết bị khác nhau. Truyền năng lượng cộng
hưởng bằng cách cấp dòng điện cho một cuộn dây, dòng điện này tạo ra từ trường dao
động, nếu chỉ có một cuộn dây thì năng lượng dao động sẽ phát ra không gian xung
quanh và mất dần năng lượng sau một số chu kỳ dao động. Thế nhưng nếu có một
hoặc các cuộn dây khác ở gần hoặc cách xa một khoảng cách nào đó từ cuộn dây sơ
cấp thì tại tần số cộng hưởng chung, các cuộn dây thứ cấp có thể lấy phần lớn năng
lượng từ cuộn dây sơ cấp trước khi chúng bị suy hao. Các trường xuất hiện nổi trội ở
đây là trường gần không phát xạ với các sóng tắt dần.
Năng lượng dao động sẽ truyền qua – lại giữa từ trường trong cuộn dây và điện
trường qua tụ điện tại tần số cộng hưởng. Theo lý thuyết trường gần, dao động có điện
này sẽ tắt dần với một tốc độ xác định phụ thuộc vào hệ số phẩm Q. Sự mất năng
lượng chủ yếu do thế rơi trên điện trở ký sinh và do phát xạ và không gian, tuy nhiên
nếu có một hay một số cuộn dây thứ cấp cắt ngang đường sức từ trường thì các cuộn
này có khă năng hấp thụ phần năng lượng lớn hơn nhiều so với phần mất mát trong
mỗi chu kỳ.
Bằng cách năng lượng được truyền đi. Trong cuộn dây sơ cấp thường các
thành phần L, C và R (điện trở kí sinh) do vậy hệ số phẩm chất được xác định như
sau:

Q=
Vì Q rất lớn, giá trị có thể lên đến 1000 với lõi không khí trong cuộn dây, chỉ
cần có một phần nhỏ năng lượng trường dùng vào liên kết từ cuộn dây này dến cuộn
dây kia để tạo ra hiệu suất cao. Hệ số liên kết là tỷ phần của dòng chảy của cuộn dây
sơ cấp cắt cuộn dây thứ cấp, nó là hàm của kích thước hệ thống, giá trị của hệ số liên
kết nằm giữa 0 và 1.
Cảm ứng điện từ là một hiện tượng xảy ra rất phổ biến theo nguyên lý sau: khi
một cuộn dây sơ cấp phát sinh từ trường vượt trội do dòng điện thì qua cảm ứng sẽ
Nguyễn Thị Huyền

Page 19


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz
phát sinh một dòng điện trong một dây thứ cấp có trong không gian của từ trường của
cuộn dây. Tuy nhiên cường độ dòng điện xuất hiện trong cuộn dây thứ cấp còn phụ
thuộc vào rất nhiều yếu tố, và thông thường kết quả đạt được về phương diện độ lớn
của quá trình truyền năng lượng không như mong muốn.
Khi ứng dụng hiện tượng cộng hưởng tại tần số giống nhau ở hai cuộn dây thì
hiệu suất truyền năng lượng có thể tăng lên đáng kể do có hiện tượng “xuyên hầm của
sóng điện từ mang năng lượng”. Khi hiện tượng liên kết cộng hưởng xuất hiện thì
trong hai cuộn dây xuất hiện độ cảm ứng tương hỗ tại một tần số cộng hưởng và dòng
điện dạng hình sin cung cấp vào cuộn dây sơ cấp thường bị biến dạng dang dạng tín
hiệu hình vuông hoặc một dạng tín hiệu quá độ có độ méo nào đấy, và như vậy tạo ra
sự tương tác liên kết mạnh hơn trong hệ thống truyền năng lượng. Bằng cách này một
lượng công suất đáng kể có thể truyền không dây với tốc độ rất nhanh qua một khoảng
cách xa hơn so với lý thuyết truyền sóng trường gần cổ điển đã tính toán, khoảng cách
truyền năng lượng thường đạt cỡ hang đơn vị mét. Không giống như các cuộn dây có
nhiều lớp cuốn lên nhau trong các biến thế không cộng hưởng, các cuộn dây dùng
trong cảm ứng cộng hưởng, cả cuộn dây sơ cáp và thứ cấp, là các cuộn dây hình ống,
đơn lớp hoặc cuốn spiral trên một mặt phẳng với các điện dung nối tiếp, với cấu trúc
tổ hợp này cho phép thành phần bên phía thu có thể điều chỉnh với tần số bên phần
phát và giảm các mất mát [4].
Hình 1.5 là ảnh và sơ đồ cuộn dây trong hệ cảm ứng cộng hưởng điện từ.

Nguyễn Thị Huyền

Page 20

Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz

a)

b)
Hình 1.5 Hệ thống cuộn cảm hình ống đơn lớp cùng với tụ điện dung (a) và

cuộn cảm spiral xoắn trên một mặt phẳng cùng mạch điện (b) dùng trong hệ
cảm ứng truyền năng lượng không dây.[8]

 Truyền năng lượng không dây theo nguyên lý cảm ứng tĩnh điện
Trong hiệu ứng cảm ứng tĩnh điện liên kết điện dung thường cần một điện trường
cao có gradient hoặc có điện dung vi phân giữa các điện cực (các điện cực này không
được tiếp đất vì mặt đất có tính dẫn điện, chúng đã được treo lơ lửng lên phía trên
mặt đất bằng các sợi dây cách điện) để truyền năng lượng không dây với sự chênh
lệch về thế hiệu xoay chiều tần số cao truyền giữa hai tấm mặt phẳng tụ điện (hoặc hai
chốt dạng đĩa).
Như vậy có thể thấy lực tĩnh điện qua môi trường tự nhiên dẫn điện có trong từ
trường thay đổi có khả năng truyền năng lượng từ phần phát đến phần thu. Đôi khi
người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng Tesla, đó là một trong những ứng dụng của
sự dịch chuyển điện, nghĩa là đường dẫn của năng lượng điện qua không gian và vật
chất khác với cơ chế chênh lệch thế hiệu rơi trên một dây dẫn.

Nguyễn Thị Huyền

Page 21


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz

Hình 1.6 Mô hình hệ thống của Tesla [7]

1.3.3 Một số ứng dụng của truyền năng lượng trường gần.
Hiệu ứng cảm ứng điện từ, cảm ứng cộng hưởng điện từ được ứng dụng khá nhiều
trong một số lĩnh vực khác nhau, ví dụ trong:
- Bộ chuyển đổi đèn huỳnh quang ca tốt lạnh
- Liên kết giữa các tầng của máy thu Radio super - heterodyne
- Biến thế cộng hưởng, ví dụ như cuộn dây Tesla, có thể tạo ra thế hiệu rất cao
(có thể phát tia chớp điện hoặc không phát ra tia chớp)
- Tạo ra không những thế cao mà cả dòng cao dùng trong máy phát Vande
Graaff
-Các hệ điện từ không dây WiTricity, RFID và các thẻ thông minh không tiếp
xúc.

1.4 TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY VỚI TRƯỜNG XA
Phương pháp trường xa thực hiện cho khoảng cách xa, thường hàng chục km
trở lên trong đó khoảng cách lớn hơn rất nhiều so với kích thước của thiết bị. Như vậy,
dùng các phương pháp truyền năng lượng trường gần thì không thể truyền công suất
đi xa. Khác với truyền tín hiệu vô tuyến, ở đó tín hiệu mang cấu trúc thông tin với
Nguyễn Thị Huyền

Page 22


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz
công suất rất bé, cỡ nW đến µW, ở lại đầu ra hiển thị (loa) ở thiết bị thu khôi phục lại
tín hiệu thông tin tín hiệu hay hình ảnh. Còn trong trường hợp truyền năng lượng thì
dùng dải tần cũng rất hẹp hoặc chỉ tại một tần số, việc truyền (mật độ) công suất cao
với hiệu suất cao thu được ở phía thu là quan trọng nhất. Để truyền năng lượng trường

xa đến nay người ta thường dung công nghệ chùm tia công suất, có nghĩa là tạo ra bức
xạ ở dạng chùm tia có mật độ công suất cao, rồi phóng về phía thiết bị thu. Ở phía đầu
thu có thiết bị antenna thu, bộ chuyển đổi điện rồi đưa ra mạng điện lưới quốc gia. Do
các nguyên lý khác nhau nên cách xử lý và sử dụng công nghệ ở hai phương pháp
truyền thông tin và truyền công suất không dây cũng rất khác nhau ở nhiều khía cạnh.
Kích thước của thiết bị phát và thu trong trường xa chủ yếu phụ thuộc vào
khoảng cách truyền năng lượng, bước sóng sử dụng, sự hấp thụ, suy hao và tán xạ của
môi trường đối với bước sóng của chùm tia sử dụng. Các vấn đề này không chỉ đối với
các chùm tia bức xạ radio, mà cả cho các chùm laser.[4]

1.4.1 Công nghệ chùm tia laser công suất cao
 Một số ưu điểm nổi trội

- Truyền bức xạ laser đơn sắc cho phép tạo ra chùm tia có diện tích hẹp với
năng lượng cao có thể vượt qua một quãng đường xa.

- Khi sử dụng các modul Laser – photovoltage bán dẫn tích hợp sẽ cho phép
tạo ra sản phẩm nhỏ và nhẹ, rất có ưu thế trong việc phóng lên vũ trụ và các
ứng dụng khác.

- Có khả năng hoạt động không có sự giao thoa với tần số radio gây kích
động cho các hệ thống thông tin (như wifi và cell phone).

- Có thể điều khiển sự tiếp cận, hướng chùm năng lượng laser phát rất cao
đến mục tiêu theo ý muốn, chứ không phải phát theo mọi hướng hoặc lo era
dạng hình nón khó tập trung năng lượng cao, khó điều khiển.
 Một số nhược điểm
Nguyễn Thị Huyền

Page 23

Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz
- Quá trình chuyển sang ánh sáng laser thường có hiệu suất thấp, mặc dù hiện
nay có công nghệ mới sử dụng các hiệu ứng lượng tử có thể đạt hiệu suất
cao hơn trước.

- Việc biến đổi từ tia laser sang năng lượng điện phía đầu thu cũng đạt hiệu
suất không cao, với công nghệ hiện nay mới chỉ đạt hiệu suất cỡ 30% đến
40%.

- Khi truyền qua tầng khí quyển thì chùm laser bị hấp thụ khá lớn.
- Khi truyền cần truyền trực tiếp từ máy phát đến mục tiêu theo đường thẳng,
như vậy chỉ có thể truyền khi không có vật cản ở ngang đường truyền [4]

Hình 1.7 Mô hình nguyên lý về phương pháp truyền năng lượng không dây từ vũ trụ
về mặt đất bằng chùm tia Laser a,b,c)
và một vài ứng dụng trong lĩnh vực quân sự e,f)

1.4.2 Công nghệ truyền năng lượng bằng chùm tia bi ba
Phương pháp thu năng lượng mặt trời từ vũ trụ, biến đổi sang dạng chùm tia vi
ba hay chùm tia Laser truyền về trái đất, sau đó biến đổi thành năng lượng điện truyền
đến nơi sử dụng. Phương pháp này sử dụng về tinh năng lượng mặt trời (Solar Power
Satellite – SPS).
Điều kiện Rayleigh khẳng định rằng, bất cứ sóng radio, sóng Vi ba, tia Laser sẽ
lan truyền và dần suy hao, khuếch tán khi vượt qua một khoảng cách. Antenna phát
càng lớn hoặc cấu trúc Laser càng lớn so với bước sóng bức xạ thì chùm tia càng
chụm với mật độ cao, là hàm của khoảng cách và sự lan truyền càng ít ra các phía bên
cạnh. Truyền năng lượng bằng chùm tia Vi ba sẽ hiệu quả hơn truyền bằng chùm
Nguyễn Thị Huyền

Page 24


Nghiên cứu các giải pháp truyền năng lượng không dây ở dải sóng 2,45GHz
Laser, vì nó sẽ ít bị suy hao do sự hấp thụ bởi môi trường (có hơi nước, mây mưa,
bụi..). Do đó, trong phần này ta sẽ tìm hiểu cụ thể hơn về truyền năng lượng dùng
sóng vi ba. Trong trường hợp này, đầu tiên năng lượng mặt trời được chuyển thành
điện năng, sau đó năng lượng điện được chuyển thành sóng viba. Ở nơi nhận sóng vi
ba được chuyển đổi trở lại thành năng lượng điện. Antenna chỉnh lưu nhận sóng vi ba
trên mặt đất được gọi là rectenna. Rectenna nhận sóng vi ba chuyển đổi thành năng
lượng điện và sau đó hòa vào mạng lưới [4].
 Các thành phần của SPS

Mô hình hệ thống SPS được minh họa ở hình 1.3. Nó bao gồm mặt trời, vệ
tinh, bộ phát sóng vi ba công suất và rectenna thu nhận chùm tia công suất vi ba.
Khối thiết bị thu năng lượng mặt trời, thường bao gồm hệ thống gương để hội tụ năng
lượng mặt trời và các panel pin mặt trời để cung cấp điện cho ma trận linh kiện vi ba
(hoặc Laser).
- Khối ma trận linh kiện vi ba như TWT, cyclostron hoặc cycloston biến đổi năng
lượng điện từ năng lượng mặt trời thành các tia vi ba có công suất cao. Còn đối với hệ
Laser là các ma trận laser công suất cao.
- Hệ thống (ma trận) antenna phát bức xạ vi ba bằng các antenna liên kết pha được đặt
trên vệ tinh hướng xuống mục tiêu dưới đất, nơi có hệ thống antenna thu. Còn đối với
hệ laser là hệ thống chùm laser công suất cao xuống mục tiêu.

Nguyễn Thị Huyền

Page 25