Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu năng lượng siêu cao tần 2.45 GHz dùng cho hệ thống thu năng lượng ở khoảng cách gần

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
BỘ CHỈNH LƢU NĂNG LƢỢNG SIÊU CAO TẦN
2.45 GHZ DÙNG CHO HỆ THỐNG THU NĂNG
LƢỢNG Ở KHOẢNG CÁCH GẦN

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
BỘ CHỈNH LƢU NĂNG LƢỢNG SIÊU CAO TẦN
2.45 GHZ DÙNG CHO HỆ THỐNG THU NĂNG
LƢỢNG Ở KHOẢNG CÁCH GẦN

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Cán bộ hƣớng dẫn: PGS.TS. BẠCH GIA DƢƠNG

HÀ NỘI - 2015


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới
PGS.TS.Bạch Gia Dương đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp cho em có những
kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu trong thời gian được học tập và nghiên cứu
tại Trung tâm nghiên cứu điện tử viễn thông, Đại Học Công Nghệ.
Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trường Đại Học Công Nghệ,
Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã rất nhiệt tình giảng dạy và cho em những lời khuyên hữu
ích trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường.
Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian thực hiện khóa luận có hạn, vốn kiến
thức nắm được chưa nhiều nên luận văn còn nhiều hạn chế. Em rất mong nhận được
nhiều sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô để hoàn thiện hơn bài viết của mình.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm2015
Học viên thực hiện

1


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

TÓM TẮT NỘI DUNG
Năng lượng không dây ngày càng trở nên phổ biến trong thế giới hiện đại, trong
khi nhu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, các nguồn năng lượng khai thác
truyền thống ngày càng giảm đi thì việc sử dụng năng lượng vũ trụ có thể trở thành
cần thiết trong thời gian không xa. Khi khai thác năng lượng vũ trụ đặt ra nhu cầu
truyền năng lượng không dây về trái đất. Hiện nay để truyền năng lượng không dây,
thế giới đang tập trung vào hướng truyền năng lượng trên dải sóng siêu cao tần.
Công nghệ thu năng lượng không dây sử dụng một thiết bị gọi là Rectenna,
Rectenna bao gồmantenna thu, bộ phối hợp trở kháng giữa antennavà rectifier (bộ
chỉnh lưu năng lượng siêu cao tần sang điện một chiều DC trong đó tín hiệu siêu cao
tầnđược thu từ antenna).
Nguyên lý của hệ thống truyền năng lượng vũ trụ là năng lượng mặt trời qua hệ
thống Solar Power Satellite sau đó truyền về trái đất bằng sóng siêu cao tần. Tại nơi
nhận, một antenna thu được đặt sau đó năng lượng siêu cao tần này được chuyển đổi
thành điện năng để sử dụng.
Hệ thống truyền năng lượng không dây ở khoảng cách gần có nhiều ứng dụng
trong thực tế để truyền năng lượng điểm- điểm trong không gian, truyền năng lượng từ
mặt đất lên không gian, truyền năng lượng giữa điểm phát và điểm thu trên mặt đất.
Khoảng cách truyền năng lượng trong các ứng dụng này được sử dụng sóng siêu cao
tần, tần số 2.45 GHz. Đối với truyền năng lượng không dây ở dải sóng siêu cao tần, có
thể sử dụng tần số 5.3 GHzđể thu nhỏ kích thước của antenna nhưng hiệu suất truyền
năng lượng thấp hơn khi sử dụng tần số 2.45 GHz.
Hệ thống truyền năng lượng không dây theo nguyên lý nói trên có thể được áp
dụng cho các thiết bị tiêu thụ năng lượngmặt trời, cấp điện không dây cho các thiết bị
dùng trong gia đình, sử dụng cho tivi, laptop, sạc không dây cho điện thoại, máy tính
bảng..v..v.Ngoài ratruyền năng lượng không dây có thể ứng dụng cho đặc thù sử dụng
năng lượng không dây, cấp điện không dây cho các thiết bịhoạt động trong các khu
vực phức tạp không có khả năng cấp điện trực tiếp mà phải cấp điện không dây từ xa.
Trong khuôn khổ luận văn này, cùng với việc nghiên cứu tổng quan về hệ thống

truyền năng lượng không dây, luận văn tập trung nghiên cứu về công nghệ chỉnh lưu
siêu cao tần với hiệu suất cao và nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu năng lượng
2


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

siêu cao tần hoạt động ở tần số 2.45 GHz sử dụng cho việc truyền năng lượng không
dây ở khoảng cách gần.

3


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

MỤC LỤC
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG
DÂY ......................................................................................................................................7
1.1.

Lịch sử phát triển ....................................................................................................7

1.2.

Truyền năng lượng không dây dùng sóng 2.45 GHz ............................................11

1.3.

Một số ưu điểm, nhược điểm ................................................................................14

CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ CHỈNH LƢU VÀ HỆ THỐNG
RECTENNA ......................................................................................................................16
2.1.

Các kiến thức cơ bản .............................................................................................16

2.1.1.

Chất bán dẫn ..................................................................................................16

2.1.2.

Diode bán dẫn ................................................................................................20

2.1.3.

Các kỹ thuật chỉnh lưu ...................................................................................29

2.2.

Cấu trúc của Rectenna ..........................................................................................33

2.3.

Phối hợp trở kháng trong Rectenna ......................................................................34

2.3.1.

Khái niệm chung ............................................................................................34

2.3.2.

Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng .............................................................35

2.4.

Mạch lọc trong rectenna........................................................................................35

2.4.1.

Mạch lọc sau antenna .....................................................................................35

2.4.2.

Mạch lọc sau khối chỉnh lưu ..........................................................................39

CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CHỈNH LƢU 2.45 GHZ ............................42
3.1.

Yêu cầu thiết kế ....................................................................................................42

3.2.

Thiết kế bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ dùng diode loại HSMS2820............................43

3.2.1.

Thiết kế mạch phối hợp trở kháng sử dụng mạch dải bằng phần mềm ADS 43

3.2.2.

Thiết kế mạch chỉnh lưu bằng phần mềm ADS .............................................44

3.2.3.

Kết quả mô phỏng và đo kiểm .......................................................................44

3.3.

Thiết kế bộ chỉnh lưu bội áp dùng diode loại HSMS2820 ...................................45

3.4.

Thiết kế bộ chỉnh lưu bội áp dùng Transistor siêu cao tần SGA9189z ................47

KẾT LUẬN ........................................................................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................49

4


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 TruyềnnănglượngkhôngdâytừvệtinhđếnTráiĐất
Hình 1.2: ThápWardenclyffe do Nikola Tesla xâydựng
Hình 1.3: Rectennacủatrạmthu
Hình 1.4: Cáckiểuchỉnhlưusiêucaotần
Hình.1.5: Cấutrúcbộchỉnhlưuphứchợp
Hình 2.1: Phânloạivậtrắntheocấutrúcvùngnănglượng
Hình 2.2: Cơchếphátsinhcặphạtdẫntự do trongchấtbándẫnthuần
Hình 2.3: Chấtbándẫnphatạploại n
Hình 2.4: Chấtbándẫnphatạploại p
Hình 2.5: PhâncựcthuậnchoJp-n
Hình 2.6: PhâncựcngượcchoJp-n
Hình 2.7: Cấutạocủa diode
Hình 2.8: Đặctuyến Volt Ampere của diode bándẫn
Hình 2.9: Phâncựcngượccho diode
Hình 2.10: Diode chỉnhlưu
Hình 2.11: Cấutạocủa Diode Schottky
Hình 2.12: Đặctrưng Volt Ampere của Diode Schottky
Hình 2.13: Đặctrưng Volt Ampere của Diode Zener
Hình 2.14: Đặctuyếnđiện dung theođiệnthếcủa diode biến dung
Hình 2.15: Đặctrưng Volt Ampere của diode hầm
Hình 2.16: Chỉnhlưunửachukỳ
Hình 2.17: Chỉnhlưuhainửachukỳ
Hình 2.18: Chỉnhlưucầu
Hình 2.19: Mạchtăngđôiđiệnápdùngcầu diode
Hình 2.20: Mạchtăngđôiđiệnápdùnghai diode
Hình 2.21: Mạchtăngba/tăngbốnđiệnáp
Hình 2.22: SơđồkhốicủaRectenna
Hình 2.23a: HiệusuấtcủamộtsốloạiRectenna
Hình 2.23b: Rectennatronghệthốngtruyềnnănglượngkhôngdây
ởkhoảngcáchgần

5


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

Hình 2.24: Mạchphốihợpphốihợptrởkhánggiữatrởkhángtảibấtkỳ
vàđườngtruyềnsóng
Hình 2.25: Đườngtruyềnvidải
Hình 2.26: Phânbốtrườngcủađườngtruyềnvidải
Hình 2.27: ĐườngtruyềnvidảiđặttronghệtoạđộĐecac
Hình

2.28:

Trởkhángđặctínhvàhệsốđiệnmôihiệuứngcủađườngtruyềnvidảiđượctínhtheophươngphápc
ủa Wheeler
Hình 2.29: Mạchlọcdùng RC
Hình 2.30: Mạchlọcdùng LC
Hình 2.31: Mạchlọcthôngthấp, thôngcaodùng RL
Hình 3.1: Thôngsố diode Schottky HSMS2820
Hình 3.2: Đặctrưnggiátrịđiệnápravàcôngsuấtđầuvàocủa diode HSMS2820
Hình 3.3: Mạchphốihợptrởkháng 2.45 GHz thiếtkếbằng ADS
Hình 3.4: Kếtquảmôphỏngmạchphốihợptrởkháng
Hình 3.5: Mạchchỉnhlưu 2.45 GHz thiếtkếbằng ADS
Hình 3.6: Mạchchỉnhlưu 2.45 GHz saukhichếtạo
Hình 3.7: Mạchchỉnhlưusaukhiđokiểm, tạohiệuứngsángđèn Led
Hình 3.8: Mạchđiệnthiếtkếdùng 2 diode vớibộlọc SAW
Hình 3.9: Kếtquảmôphỏngbộchỉnhlưubộiápvớibộlọc SAW

Hình 3.10: Sơđồthiếtkếbộchỉnhlưubộiápsửdụng SGA9189z
Hình 3.11: Kếtquảmôphỏngbộchỉnhlưubộiápsửdụng SGA9189z

6


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

CHƢƠNG1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƢỢNG
KHÔNG DÂY
1.1. Lịch sử phát triển
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
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 công suất và hiệu suất truyền năng lượng là quan trọng nhất,
năng lượng chỉ truyền định hướng.
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.

Hình 1.1: Truyền năng lượng không dây từ vệ tinh đến Trái Đất
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

7


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

mà không cần dùng đường dây tải điện cao thế do Nicola Tesla khởi xướng. Tuy nhiên
từ đó cho đến nay kết quả lý thuyết và thực nghiệm về truyền tải công suất không dây
đã không tiến bộ nhiều so với công nghệ truyền thông tin do thiếu mô hình lý thuyết
và công nghệ mới phù hợp.Năm 1900 với việc triển khai truyền năng 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 thông không dây. Một số nhà nghiên cứu đó đã truyển khai nhiều nghiên cứu
thí nghiệm về truyền năng lượng không dây trường gần dùng để nạp điện cho một số
thiết bị như máy điện,ô tô, xe điện, máy tính, điện thoại di động …Doanh thu cho nạp
điện không dây lên tới 1 tỷ USD. Tuy nhiên chỉ đến năm 2004, sau các nghiên cứu lý
thuyết 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.
Trong khi đó việc nghiên cứu truyền công suất trường xa đã được quan tâm mạnh
từ những năm 1973, sau patent của Glasser Peter dùng chùm tia vi ba hay laser công
suất cao để truyền công suất từ quỹ đạo GEO, MEO hay LEO trên vũ trụ về mặt đất.
Từ đó đến nay đã có hàng chục dự án lớn ở Mỹ, Nhật, Châu Âu, Trung Quốc, Ấn Độ
được triển khai với đầu tư hàng chục tỷ USD và đã thu được nhiều kết quả tốt.
Theo suốt lịch sử phát triển, nhiều nhà phát minh đã thử áp dụng nhiều phương
pháp truyền tín hiệu không dây, bao gồm cả phương pháp cảm ứng điện từ và truyền
tín hiệu qua mặt đất. Khởi đầu với điện từ học, trong quá trình nghiên cứu về lĩnh vực
truyền tín hiệu không dây, hàng loạt các thí nghiệm đã được tiến hành kể từ đầu thế kỷ
19 nhằm nghiên cứu sự liên quan giữa điện và từ tính dựa vào những dự đoán trước

đó. Tiêu biểu là vào năm 1800, Alessandro Volta đã phát triển những phương pháp để
tạo ra dòng điện. Tiếp theo là Gian Domenico Romagnosi với nghiên cứu về sự liên
quan giữa dòng điện và từ tính nhưng nghiên cứu của ông chưa được công nhận.
Mãi đến năm 1829, Hans Christian Orsted đã đưa ra một thí nghiệm để chứng
minh thuộc tính từ của dòng điện, đó là dòng điện chạy trong một cuộn dây làm chệch
hướng của kim la bàn đặt gần. Chính thí nghiệm của Orsted đã khơi mào cho AndréMarie Ampère phát triển lý thuyết về điện từ và kế đó là Francesco Zantedeschi với
nghiên cứu về sự liên quan giữa ánh sáng, điện và từ trường.
8


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

Năm 1831, Michael Faraday đã thực hiện một loạt các thí nghiệm để chứng minh
sự tồn tại của hiện tượng cảm ứng điện từ. Mối quan hệ này đã được ông xây dựng
thành một mô hình toán học của định luật Faraday. Theo đó, lực điện từ có thể lan toả
ra vùng không gian xung quanh các dây dẫn.
Dựa trên các nghiên cứu trước đó, Joseph Henry đã thực hiện một thí nghiệm
chứng minh được lực từ có thể tác động từ độ cao 61 m vào năm 1832. Ông cũng
chính là người đầu tiên tạo ra dòng điện xoay chiều dao động với tần số cao. Trong thí
nghiệm, ông nhận ra rằng dòng điện xoay chiều sẽ tạo ra một lực dao động với tần số
giảm dần cho đến khi nó trở về trạng thái cân bằng.
Đến thuyết sóng điện từ, từ năm 1861 đến năm 1865, dựa trên những nghiên cứu
của Faraday và các nhà khoa học khác, James Clerk Maxwell đã phát triển một học
thuyết mang tên thuyết sóng điện từ được đăng tải trên tạp chí khoa học hoàng gia với
tựa đề "thuyết động lực của điện trường". Ông chính là người thống nhất các khái
niệm quan trọng của vật lý hiện đại là điện, từ trường và ánh sáng bằng 4 phương trình
Maxwell nổi tiếng. Sự ra đời của truyền sóng điện từ chính là nền tảng cho việc truyền
thông tin không dây sau này đó chính là sóng radio.

Quá trình phát triển liên quan tới truyền năng lượng không dây: 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
được trình bày trên hình 1.2 bên dưới.

Hình 1.2: Tháp Wardenclyffe do Nikola Tesla xây dựng
9


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

Năm 1904 một khinh khí cầu dạng mô tô bay đã được truyền năng lượng không
dây với công suất khoảng 0,1 mã lực (75W) với khoảng cách truyền là 100 feet (30m).
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).
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.
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, PDA, iPod,...v.v.
Năm 2004 phương thức truyền công suất cảm ứng đã được sử dụng khá rộng rãi

cho nhiều công đoạn khác nhau, doanh thu đạt khoảng 1 tỷ USD đối với các lĩnh vực
bán dẫn, LCD và chế tạo màn hình plasma.
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 60cm, 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%.
Năm 2009 một tổ hợp mang tên tổ hợp công suất không dây tuyên bố họ đang
hoàn thiện việc thiết lập chuẩn công nghiệp mới đối với quá trình nạp điện không dây
bằng công nghệ cảm ứng với công suất thấp. Cũng trong năm này một mô hình điện
phân tích đơn giản về hệ thống truyền năng lượng cộng hưởng đã được đề nghị và áp
dụng cho quá trình truyền năng lượng không dây cho một số loại thiết bị điện.
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.

10


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

Việc triển khai nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm truyền năng lượng trên
dải sóng 2.45 GHz có ý nghĩa rất cơ bản để mở ra hướng khai thác năng lượng vũ trụ
truyền về trái đất.
1.2. Truyền năng lƣợng không dây dùng sóng 2.45GHz
Trong những năm gần đây, trên thế giới đã có nhiều kết quả nghiên cứu và ứng

công nghệ truyền năng lượng không dây trong khai thác năng lượng vũ trụ, truyền về
trái đất. Vấn đề đang được tập trung nghiên cứu là sử dụng sóng siêu cao tần để truyền
năng lượng thay cho sử dụng chùm tia laser truyền năng lượng vì truyền năng lượng
dùng sóng siêu cao cho hiệu suất cao hơn khi sử dụng chùm tia laser.
 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 tính
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 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, 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 chất Q. Sự mất năng
lượng chủ yếu do thế rơi trên điện trở và do phát xạ vào 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
khả năng hấp thụ phần năng lượng lớn hơn nhiều so với phần mất mát trong mỗi chu
kì.

11


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

 Truyền năng lượng không dây dùng chùm tia vi ba
Là hệ thống bao gồm máy phát công suất đưa tới antenna có định hướng tốt, phát
năng lượng ra không gian. Phía thu bao gồm antenna thu, bộ lọc, chỉnh lưu, lọc thông
thấp và đưa ra tải một chiều.
Mô hình thunăng lượng ở khoảng cách gần được trình bày như hình.1.3, trong đó
trạm thu sử dụng thiết bị rectenna.

Hình 1.3: Rectenna của trạm thu
Rectenna nhiều chấn tử antenna có thể có hai kiểu khác nhau trong đó, có thể thu
tín hiệu cao tần từ nhiều antenna khác nhau sau đó đưa tới một bộ chỉnh lưu và đưa ra
tải một chiều.Cách hai là tín hiệu thu trên các chấn tử antenna đưa đến các bộ chỉnh
lưu tương ứng và tổng hợp một chiều trên tải.

Hình 1.4: Các kiểu chỉnh lưu siêu cao tần
12


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

Cấu trúc của bộ chỉnh lưu điển hình được trình bày như hình.1.5

Hình.1.5: Cấu trúc bộ chỉnh lưu phức hợp
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 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. Trên thế giới đã có rất nhiều nước như 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.
Một số khối thiết bị của vệ tinh năng lượng mặt trời:
- Khối thiết bị thu năng lượng mặt trời: 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.
- Khối ma trận linh kiện viba như TWT, cyclostron, hoặc cryston biến đổi năng
lượng điện từ năng lượng mặt trời thành các tia vi ba có công suất cao.
- Hệ thống (ma trận) antenna phát bức xạ vi ba bằng các antenna liên kết pha đặt
trên vệ tinh hướng xuống diện tích thu năng lượng dưới mặt đất, nơi có hệ thống
antenna thu.
Không gian truyền dẫn năng lượng không dây (bầu không gian vũ trụ từ quỹ đạo
về mặt đất): Tần số (bước sóng) đối với công nghệ chùm tia vi ba là 2.45 GHz, hoặc
tần số 5.8 GHz.
Hệ thống thiết bị anten thu:
13


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

Hệ thống thu chùm tia vi ba trên mặt đất là ma trận antenna thu tín hiệu vi ba và
bộ chỉnh lưu kết hợp với nhau, gọi là rectenna. Tín hiệu vi ba được thu rồi chỉnh lưu
bằng mạch chỉnh lưu dùng photodiodeSchottky. Vì năng lượng phát ra từ quỹ đạo
GEO thường có dạng hình nón, nên ở mặt đất cần có rectenna kích thước thích hợp
mới thu nhận được hết năng lượng. Thông thường năng lượng tập trung chủ yếu ở
trung tâm ra phía ngoài, tại rìa antenna năng lượng bằng không.
Về độ an toàn: Hệ SPS chùm tia vi ba có độ an toàn cao, mật độ công suất thấp

so với mức tác hại.
Về mức độ phát triển và kết quả đạt được: Hệ SPS dùng chùm tia vi ba đang
được phát triển mạnh, dùng để truyền năng lượng từ GEO về và đã đạt được nhiều kết
quả truyền được năng lượng cỡ KW trở lên. Hệ này đang được đầu tư hàng tỷ USD
trong rất nhiều dự án lớn, và trong thời gian tới sẽ nghiên cứu để tiến tới truyền từ
GW- TW.
1.3. Một số ƣu điểm, nhƣợc điểm
Năng lượng mặt trời vũ trụ có thể giải quyết vấn đề an ninh năng lượng toàn cầu
bởi vì không giống như năng lượng mặt trời trên trái đất và năng lượng gió, năng
lượng mặt trời vũ trụ có liên tục hàng ngày 24/24 giờ, với trữ lượng vô cùng lớn, nó có
hiệu ứng bơm liên tục. Hơn nữa, nó có thể cấp năng lượng cho bất cứ một khu vực nào
trên mặt đất, cả vùng sâu vùng xa, không phụ thuộc các nguồn nước sạch để hoạt
động, chỉ cần hướng antenna phát về vị trí đặt antenna thu ở nơi mong muốn sử dụng.
Vì vậy năng lượng mặt trời vũ trụ là nguồn ổn định lâu dài, cung cấp trực tiếp cho mọi
dân tộc, không phụ thuộc sở hữu của quốc gia nào.
Đồng thời, năng lượng mặt trời vũ trụ không gây ra các khí có hiệu ứng nhà kính,
không ảnh hưởng nhiều đến biến đổi khí hậu và không tạo ra phế thải độc hại cần phải
chôn cất (như năng lượng hạt nhân), vì vậy nó không thể là mục tiêu cho bọn khủng
bố. Ngoài ra, hệ thống SPS yêu cầu diện tích nhỏ hơn khoảng 1/5 lần so với hệ thống
năng lượng mặt trời trên mặt đất khi cho cùng công suất.
Tuy nhiên, kích thước và trọng lượng vệ tinh SPS hiện nay còn rất lớn nên giá
thành phóng tên lửa đưa vệ tinh lên quỹ đạo khá cao. Giá thành để đưa lên quỹ đạo
LEO cần giảm vào khoảng 400 - 500 USD/kg.

14


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

Mặc dù có những khó khăn, thách thức rất lớn cả về kỹ thuật, tài chính, song để
đảm bảo an ninh năng lượng, chính phủ các nước, các tập đoàn lớn trên thế giới (như
NASA (Mỹ), BOEING (Mỹ), NASDA (Nhật Bản), Châu Âu...) vẫn có những đầu tư
hàng chục tỷ USD cho các dự án nghiên cứu, thí điểm và đưa ra những chiến lược có
tính dài hạn.
Các nhà khoa học cũng đặt mục tiêu trước mắt là nghiên cứu và phát triển những
công nghệ mới về khoa học vũ trụ có thể chế tạo được SPS, hệ thống rectenna và đưa
được SPS lên quỹ đạo, duy trì hoạt động của chúng trong vài chục năm, và phấn đấu
đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ năng lượng mặt trời ngoài vũ trụ thành điện
năng trên 50%.

15


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ CHỈNH LƢU VÀ HỆ
THỐNG RECTENNA
2.1. Các kiến thức cơ bản

2.1.1. Chất bán dẫn
 Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh thể
Trong mạng tinh thể của chất rắn, tùy theo các mức năng lượng mà các điện tử có
thể chiếm chỗ hay không, người ta phân biệt ba vùng năng lượng khácnhau:
Vùng hóa trị (vùng đầy): Tất cả các mức năng lượng đều đã bị điện tử chiếm chỗ,
không có mức năng lượng tự do.
Vùng dẫn (vùng trống): Các mức năng lượng đều còn trống hoặc có thể bị chiếm

chỗ một phần.
Vùng cấm: Trong đó không tồn tại mức năng lượng nào để điện tử có thể chiếm
chỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bằng 0.
Tùy theo vị trí tương đối giữa 3 vùng, xét theo tính chất dẫn điện của mình, các
chất rắn cấu trúc tinh thể được chia thành 3 loại (xét ở 00K) thể hiện trên hình sau:

Hình 2.1: Phân loại vật rắn theocấu trúcvùng năng lượng
Trong đó:

a) Chất cách điện Eg >2eV
b) Chất bán dẫn điện 0 < Eg ≤ 2eV
c) Chất dẫn điện

Để tạo dòng điện trong chất rắn cần phải thực hiện 2 quá trình: Quá trình tạo hạt
dẫn tự do nhờ năng lượng kích thích và Quá trình chuyển động có hướng của các hạt
mang điện dưới tác dụng của điện trường.

16


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

 Chất bán dẫn thuần
Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Ge và Si có năng lượng vùng cấm:
Eg(Ge)=0,72eV và Eg(Si)=1,12eV, thuộc nhóm IV trong hệ thống tuần hoàn. Trong
mạng tinh thể, các nguyên tử Ge (Si) liên kết với nhau theo kiểu cộng hóa trị (các
nguyên tử đưa ra các electron hóa trị liên kết với các nguyên tử xung quanh).
Chất bán dẫn thuần thực chất không phải là một chất cách điện tốt và cũng không

phải là một chất dẫn điện tốt. Tại nhiệt độ phòng, độ dẫn điện của Si bằng khoảng 10
lần độ dẫn điện của một vật dẫn kim loại và bằng khoảng 1014 lần so với một chất
cách điện tốt. Tuy nhiên có thể tăng độ dẫn điện của chất bán dẫn thuần bằng cách đốt
nóng hoặc chiếu sáng tinh thể bán dẫn để tăng số lượng hạt dẫn.
Khi được một nguồn năng lượng bên ngoài kích thích, xảy ra hiện tượng ion hóa
các nguyên tử nút mạng và sinh ra từng cặp hạt dẫn tự do: điện tử và lỗ trống. Điều
này tương đương với sự dịch chuyển của một điện tử từ 1 mức năng lượng trong vùng
hóa trị lên 1 mức năng lượng trong vùng dẫn và đồng thời để lại 1 mức năng lượng tự
do trong vùng hóa trị được gọi là lỗ trống. Các hạt dẫn tự do này dưới tác dụng của
điện trường ngoài hoặc do sự chênh lệch về nồng độ có khả năng dịch chuyển có
hướng trong mạng tinh thể tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn.
Một đặc điểm quan trọng trong chất bán dẫn đó là điện tử không phải là hạt mang
điện duy nhất mà lỗ trống cũng được coi là hạt mang điện nên dòng điện trong chất
bán dẫn luôn gồm hai thành phần do sự chuyển dời có hướng của điện tử và lỗ trống.
Trong chất bán dẫn thuần, mật độ của điện tử và lỗ trống là bằng nhau.

Hình 2.2: Cơ chế phát sinh cặp hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn thuần
 Chất bán dẫn pha tạp
Loại n: Tiến hành pha các nguyên tử thuộc nhóm 5 trong bảng tuần hoàn
(Antimony hoặc Phosphorus) vào mạng tinh thể của chất bán dẫn thuần nhờ công nghệ
đặc biệt với nồng độ cao (1010 đến 1018 nguyên tử/cm3). Nguyên tử tạp chất liên kết
17


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

với các nguyên tử chất bán dẫn thuần trong mạng tinh thể sẽ thừa một điện tử hóa trị,
liên kết yếu với hạt nhân và dễ dàng bị ion hóa nhờ 1 nguồn năng lượng yếu, tách khỏi

hạt nhân và trở thành electron tự do và tạo nên ion dương tạp chất bất động.

Hình 2.3: Chất bán dẫn pha tạp loại n
Loại p:Tiến hành pha tạp chất thuộc nhóm 3 trong bảng tuần hoàn (Boron hoặc
Aluminum) vào mạng tinh thể chất bán dẫn thuần với nồng độ cao. Nguyên tử tạp chất
khi liên kết với các nguyên tử chất bán dẫn thuần trong mạng tinh thể sẽ thiếu một
điện tử hóa trị nên 1 liên kết bị khuyết và được gọi là lỗ trống dễ dàng nhận điện tử, và
khi đó nguyên tử tạp chất bị ion hóa tạo nên ion âm tạp chất bất động đồng thời phát
sinh lỗ trống tự do. Mức năng lượng tạp chất loại p hay loại nhận điện tử (acceptor)
nằm trong vùng cấm sát đỉnh vùng hóa trị.

Hình 2.4: Chất bán dẫn pha tạp loại p
18


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

 Tiếp giáp Jp-n khi có điện trường ngoài
Phân cực thuận:
Điện trường ngoài Eng tập trung chủ yếu trong miền điện tích không gian có chiều
ngược chiều với Etx (cực dương → p và cực âm → n). Theo nguyên lý xếp chồng, điện
trường tổng theo vector Et = Etx + Eng hay về giá trị Et = Etx - Eng. Vậy cường độ điện
trường tổng Et< Etx, độ rộng miền nghèo giảm, làm tăng chuyển động khuếch tán của
hạt dẫn đa số, hay cường độ dòng điện Ikt tăng, cường độ dòng điện trôi Itrôi giảm.
Người ta gọi đó là hiện tượng phun hạt dẫn đa số qua tiếp giáp Jp-n và trường hợp này
được gọi là phân cực thuận cho chuyển tiếp p-n. (Thường điện áp phân cực thuận nhỏ
hơn điện áp tiếp xúc hay hàng rào thế).

Hình 2.5: Phân cực thuận cho Jp-n
Phân cực ngược:
Điện trường ngoài Eng cùng chiều với Etx (cực dương → n, cực âm → p). Khi đó
cường độ điện trường tổng theo vector Et = Etx + Eng hay về giá trị Et = Etx + Eng> Etx,
độ rộng miền nghèo tăng, cản trở chuyển động khuếch tán, dòng khuếch tán Ikt giảm
tới 0, dòng trôi Itr tăng chút ít và nhanh chóng đạt được giá trị bão hòa được gọi là
dòng ngược bão hòa. Trường hợp này được gọi là phân cực ngược cho chuyển tiếp pn.

19


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

Hình 2.6: Phân cực ngược cho Jp-n

2.1.2. Diode bán dẫn
 Khái niệm
Diode bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện
đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất của các
chất bán dẫn.

Hình2.7: Cấutạocủa diode
 Nguyên lý hoạt động và đặc tuyến Volt Ampere
Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép
với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển
động khuếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm)
từ khối n chuyển sang. Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa
điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống).

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng
tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung
hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ
điện từ có bước sóng gần đó), điện áp tiếp xúc hình thành.
Sự tích điện âm bên khối p và dương bên khối n hình thành một điện áp gọi là điện
áp tiếp xúc (UTX). Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối n đến khối p nên
cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối
bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp
tiếp xúc. Lúc này ta nói tiếp xúc p-n ở trạng thái cân bằng. Điện áp tiếp xúc ở trạng
thái cân bằng khoảng 0.6V đối với diode làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với

20


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

diode làm bằng bán dẫn Ge. Điệp áp ngoài ngược chiều điện áp tiếp xúc tạo ra dòng
điện.
Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá
trình tái hợp thườngxảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa. Vì vậy
vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi là
vùng nghèo. Vùng này không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi
điện áp bên ngoài. Đây là cốt lõi hoạt động của diode.Điệp áp ngoài cùng chiều điện
áp tiếp xúc ngăn dòng điện.
Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của các điện tử
và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt.
Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của các điện tử
và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt dẫn điện tự do. Nói

cách khác diode chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất
định.

Hình 2.8: Đặc tuyến Volt Ampere của diode bán dẫn
 Phân cực của diode
Phân cực thuận:(UAK>0)
Ban đầu, khi điện áp UAKvẫn còn nhỏ dòng IDtăng theo hàm số mũ của điệnáp,

theo công thức:

(3), trong đó:

21


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

Is(T) là dòng ngược bão hòa, phụ thuộc vào nồng độ của hạt dẫn thiểu số tại trạng
thái cân bằng, phụ thuộc vào bản chất cấu tạo của chất bán dẫn pha tạp và do đó phụ
thuộc vào nhiệt độ.
UT: Thế nhiệt (Thermal Voltage) ~ 26 mV
m: hệ số hiệu chỉnh giữa lý thuyết và thực tế

Nếu UAK>0,1V, hàm quan hệ giữa IDvàUAK:
Tuy nhiên với giá trị UAKđủ lớn thì quan hệ giữa dòng IDvà điện áp UAKkhông
theo phương trình trên. Khi UAKđạt giá trị bằng điện áp ngưỡng Uthdiode dẫn mạnh,
dòng IDtăng mạnh, tiếp giáp p-n được coi là điện trở thuần có giá trị rấtnhỏ.
Phân cực ngược:(UAK< 0)

Khi điện áp phân cực ngược, UAKcòn nhỏ, dòng ID quan hệ với điện áp UAK theo
phương trình (3).

Khi UAK> 0,1V có thể biểu diễn
Vậy trong trường hợp phân cực thuận dòng IDcó giá trị lớn do sự phun hạt dẫn đa
số

qua

tiếp

giáp

p-n,

ngược

lại

trong

trường

hợp

phân

cực

ngược

dòngquadiodechỉlàdòngngượcbãohòaIscógiátrịrấtnhỏ.Điềunày thể hiện tính chất van
một chiều củadiode.

Hình 2.9: Phân cực ngược cho diode
22


LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN

2015

Vùng đánh thủng:(UAK< 0 và UAK đủ lớn)
Khi điện áp phân cực ngược đủ lớn đạt được giá trị điện áp đánh thủng (UBR),
dòng ID tăng đột ngột nhưng điện áp UAK không tăng. Khi đó tiếp giáp p-n bị đánh
thủng và diode mất tính chất van. Có hai hiện tượng đánh thủng chính: Đánh thủng vì
nhiệt và đánh thủng vì điện.
Đánh thủng vì nhiệt: Do các hạt dẫn thiểu số được gia tốc trong điện trường mạnh
nên va chạm với các nguyên tử nút mạng làm cho nhiệt độ tại miền tiếp xúc tăng, làm
phát sinh cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống. Số hạt dẫn mới được phát sinh tiếp tục va
chạm với các nguyên tử nút mạng, càng làm nhiệt độ tăng và số lượng hạt dẫn tăng
một cách đột ngột, cường độ dòng ngược tăng đột biến và làm phá hỏng tiếp giáp p-n.
Đánh thủng vì điện: Theo hai cơ chế là cơ chế thác lũ và cơ chế xuyên hầm
(Tunnel hay Zener).
Cơ chế đánh thủng thác lũ: Do các hạt thiểu số được gia tốc trong điện trường
mạnh va chạm với các nguyên tử nút mạng, cung cấp năng lượng cho các electron hóa
trị có thể bứt ra khỏi hạt nhân trở thành electron tự do, hiện tượng ion hóa nguyên tử
này được gọi là hiện tượng ion hóa do va chạm, làm phát sinh các cặp điện tử - lỗ
trống tự do. Và các hạt dẫn mới được phát sinh tiếp tục được gia tốc trong điện trường
mạnh và ion hóa các nguyên tử khác khi đó số hạt dẫn trong miền điện tích không gian

tăng lên đột ngột như “thác lũ” làm cho điện trở suất giảm và cường độ dòng ngược
tăng đột biến, chuyển tiếp p-n bị đánh thủng. Trong hầu hết các chuyển tiếp p-n, đánh
thủng theo cơ chế thác lũ luôn chiếm ưu thế.
Cơ chế đánh thủng xuyên hầm: Cường độ điện trường mạnh cũng cung cấp năng
lượng cho các electron hóa trị của nguyên tử chất bán dẫn thuần để có thể bứt ra khỏi hạt
nhân trở thành electron tự do. Hiện tượng ion hóa này được gọi là ion hóa do điện
trường. Nếu cường độ điện trường ngược đủ lớn làm số lượng các hạt dẫn tăng lên một
cách đáng kể hay cường độ dòng điện ngược tăng đột ngột và tiếp giáp p-n bị đánh
thủng. Có thể hình dung trong cơ chế đánh thủng xuyên hầm các electron tự do từ vùng
hóa trị của miền p dịch chuyển xuyên qua độ rộng đường hầm sang vùng dẫn của miền
n.
 Một số diode thông dụng
Diode chỉnh lưu
23