Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ nạp điện không dây cho điện thoại di động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỒNG VĂN TỚI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ NẠP ĐIỆN KHÔNG DÂY
CHO ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI-2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỒNG VĂN TỚI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ NẠP ĐIỆN KHÔNG DÂY
CHO ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử ,Truyền Thông
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
Mã số: 8510302.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn khoa học : GS.TS Bạch Gia Dương

HÀ NỘI-2019

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của cá nhân
tôi trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng dẫn của GS.TS Bạch Gia
Dương.
Các số liệu của luận văn là chân thực dựa trên những mô hình, kết quả đã đạt
được trên thế giới và học hỏi rèn luyện của bản thân chưa từng được công bố dưới bất
kỳ hình thức nào trước khi trình bày bảo vệ trước “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ”
Hà Nội, ngày tháng năm 2019
Người cam đoan

Đồng Văn Tới

1


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, trước hết tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Bạch
Gia Dương, thầy đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo, hướng dẫn và giúp tôi có những kiến
thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu,
làm luận văn tại Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, Đại học Công Nghệ.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn
thông, các thầy cô trong trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội, các
thầy cô đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập.
Xin cảm ơn các thầy cô, các anh chị ở Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông đã
tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và làm luận văn.
Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh động
viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làm luận văn tốt
nghiệp này.
Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng vì thời gian có hạn và vốn kiến thức còn hạn

chế nên trong quá trình viết bài không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được
những đóng góp của quý thầy cô và các bạn để bài luận văn được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày

2

tháng

năm 2019


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ..............................................................................................................9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO
TẦN ........................................................................................................................... 10
1.1.

Truyền năng lượng không dây ...................................................................... 10

1.1.1.

Lịch sử hệ thống truyền năng lượng không dây[5] ................................ 10

1.1.2.

Đặc điểm chung của hệ thống ................................................................. 11

1.1.3.

Mô hình hệ thống truyền năng lượng không dây ................................... 11

1.2.
1.3.

Tổng hợp các nghiên cứu phần phát của WPT[12]. ..................................... 12
Tìm hiểu Anten mảng vi dải nhiều phần tử[2] .............................................. 13

1.4.

Tổng hợp các nghiên cứu về Rectenna[9]..................................................... 14

1.4.1.

Rectenna.................................................................................................. 14

1.4.2.

Các nghiên cứu về rectenna .................................................................... 14

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN.............. 15
2.1. Cơ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần ................................................................. 15
2.1.1. Giới thiệu chung[4] ..................................................................................... 15
2.1.2. Các tham số cơ bản ..................................................................................... 16
2.2. Giản đồ Smith .................................................................................................... 21
2.3. Kỹ thuật phối hợp trở kháng .............................................................................. 28
2.3.1. Khái quát chung. ......................................................................................... 28
2.3.2. Phối hợp trở kháng dùng phần từ tập trung. ............................................... 28
2.3.3. Phối hợp trở kháng dùng dây chêm ............................................................ 31
2.3.4. Phối hợp trở kháng dùng đoạn một phần tư bước sóng λ/4. ....................... 31

2.4. Anten mảng vi dải nhiều phần tử[2]. ................................................................. 33
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỐI PHÁT-THU CỦA BỘ
NẠP ĐIỆN KHÔNG DÂY CHO ĐIỆN THOẠI ..................................................... 36
3.1. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại đệm dùng chip SHF-0189 ........... 36
3.1.1. Chip cao tần SHF-0189[10] ........................................................................ 36
3.1.2. Phối hợp trở kháng cho chip SHF-0189 ..................................................... 38
3


3.1.3. Chế tạo. ....................................................................................................... 43
3.1.4. Đo đạc kết quả và nhận xét ......................................................................... 43
3.2. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ khuếch đại công suất dùng chip SHF-0589.
................................................................................................................................... 45
3.2.1. Chip cao tần SHF-0589[11] ........................................................................ 45
3.2.2. Phối hợp trở kháng cho chip SHF-0589 ..................................................... 47
3.2.3. Chế tạo ........................................................................................................ 52
3.2.4. Đo đạc kết quả ............................................................................................ 53
3.3. Thực hiện ghép nối bộ khuếch đại đệm và bộ khuếch đại công suất ................ 54
3.4. Thiết kế anten mảng vi dải ................................................................................. 56
3.4.1. Yêu cầu thiết kế .......................................................................................... 56
3.4.3. Mô phỏng anten. ......................................................................................... 57
3.4.4. Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 57
3.4.5. Chế tạo và đo đạc anten. ............................................................................. 59
3.5. Nghiên cứu, thiết kế mạch chỉnh lưu Rectenna ................................................. 61
3.5.1. Mạch nhân áp phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây chêm đơn hở mạch.
............................................................................................................................... 61
3.6. Thử nghiệm truyền năng lượng không dây........................................................ 63
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 66

4


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ADS
IEEE
LCD
MIT
SPS
VSWR
WPT
RF
DC

Advanced Design System
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Liquid Crystal Display
Massachusetts Institute of
Technology
Solar Power Satellite
Voltage Standing Wave Ratio
Wireless Power Transmission
Radio Frequency
Direct Current

5

Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử
Màn hình tinh thể lỏng

Viện công nghệ Massachusetts
Vệ tinh thu năng lượng mặt trời
Hệ số sóng đứng điện áp
Truyền năng lượng không dây
Tần số vô tuyến
Dòng điện một chiều


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Băng tần sóng cao tần theo IEEE. ................................................................... 15
Bảng 2: Yêu cầu thiết kế anten mảng vi dải nhiều phần tử .......................................... 56

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mô hình hệ thống truyền năng lượng không dây ......................................... 11
Hình 1.2: Anten mảng vi dải nhiều phần tử....................................................................5
Hình 2.1: Đường truyền sóng (a) và mạch tương đương (b). ...................................... 16
Hình 2.2: Sóng truyền trên đường truyền. .................................................................... 17
Hình 2.3: Sóng đứng điện áp trên đường truyền không hao tổn có mắc tải đầu cuối. 19
Hình 2.4: Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường truyền không hao
tổn có mắc tải đầu cuối. ................................................................................................ 19
Hình 2.5: Các vòng tròn đẳng r trong mặt phẳng phức Γ. ........................................... 22
Hình 2.6: Các vòng tròn đẳng x trong mặt phẳng phức Γ. .......................................... 23
Hình 2.7: Các vòng tròn đẳng |Γ| và đẳng S trong mặt phẳng phức Γ. ....................... 24
Hình 2.8: Giản đồ Smith. .............................................................................................. 26
Hình 2.9: Mạch phối hợp trở kháng không tổn hao giữa trở kháng tải bất kỳ và đường
truyền dẫn sóng. ............................................................................................................ 28
Hình 2.10: Mạch phối hợp trở kháng hình L. ............................................................... 29

Hình 2.11: Các sơ đồ phối hợp trở kháng kiểu L.......................................................... 30
Hình 2.12: Phối hợp trở kháng dùng đoạn một phần tư bước sóng (l = λ/4). .............. 32
Hình 2.13: Cấu tạo một anten mạch dải ...................................................................... 26
Hình 2.14: Ví dụ về anten mảng vi dải 4 phần tử. ........................................................ 34
Hình 3.1: Sơ đồ và chức năng từng chân của chip SHF-0189. .................................... 36
Hình 3.2: Bảng tham số S_Parameter của chip SHF-0189.......................................... 30
Hình 3.3:. Biểu đồ Smith của chip SHF-0189. .............................................................. 37
Hình 3.4: Sơ đồ cơ bản của bộ khuếch đại. .................................................................. 38
Hình 3.5: Mô tả mạch phối hợp trở kháng lối vào bằng đồ thị Smith. ......................... 38
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối vào. ..................... 39
Hình 3.7: Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối vào tại tần số 2.45GHz. ... 39
Hình 3.8: Mô tả mạch phối hợp trở kháng lối ra bằng đồ thị Smith. ........................... 40
Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối ra. ....................... 40
Hình 3.10: Kết quả mô phỏng và biểu diễn trên đồ thị Smith của mạch phối hợp trở
kháng lối ra tại tần số 2.45GHz. ................................................................................... 41
Hình 3.11: Sơ đồ mô phỏng dùng file .S2P của bộ khuếch đại. ................................... 41
Hình 3.12: Kết quả mô phỏng của bộ khuếch đại. ........................................................ 42
Hình 3.13: Layout của mạch khuếch đại dùng chip SHF-0189. ................................... 42
Hình 3.14: Sản phẩm thực tế bộ khuếch đại. ................................................................ 43
Hình 3.15: Kết nối bộ khuếch đại với máy đo............................................................... 37
Hình 3.16: Kết quả tham số S21 trên máy phân tích mạng ............................................ 46
Hình 3.17: Kết quả đo tham số S11 trên máy phân tích mạng. .................................... 46
Hình 3.18: Sơ đồ và chức năng từng chân của Chip SHF-0589. ................................. 47
Hình 3.19: Bảng tham số S của chip SHF-0589. ......................................................... 48
7


Hình 3.20: Biểu đồ Smith của chip SHF-0589.............................................................. 48
Hình 3.21: Mô tả mạch phối hợp trở kháng lối vào bằng đồ thị Smith. ....................... 47
Hình 3.22: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối vào. ................... 50

Hình 3.23: Kết qủa mô phỏng và biểu diễn trên đồ thị Smith của kết quả tại tần số
2.45GHz. ....................................................................................................................... 50
Hình 3.24: Mô tả mạch phối hợp trở kháng lối ra bằng đồ thị Smith. ......................... 51
Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối ra. ..................... 51
Hình 3.26: Kết qủa mô phỏng và biểu diễn trên đồ thị Smith của kết quả tại tần số
2.45GHz. ....................................................................................................................... 50
Hình 3.27: Sơ đồ mô phỏng dùng file .S2P của bộ khuếch đại công suất. ................... 50
Hình 3.28: Kết quả mô phỏng của bộ khuếch đại. ........................................................ 51
Hình 3.29: Layout của mạch khuếch đại công suất dùng chip SHF-0589. .................. 51
Hình 3.30: Sản phẩm thực tế bộ khuếch đại công suất. ................................................ 52
Hình 3.31: Kết nối bộ khuếch đại công suất với máy đo. ............................................. 52
Hình 3.32: Kết quả đo tham số S21 trên máy phân tích mạng. .................................... 53
Hình 3.33: Kết quả đo tham số S11 trên máy phân tích mạng. .................................... 53
Hình 3.34: Mô đun khuếch đại 2W hoạt động ở tần số 2.45GHz. ................................ 54
Hình 3.35: Thực hiện đo kiểm Mô đun khuếch đại với máy phân tích phổ. ................. 55
Hình 3.36: Kết quả đo Mô đun khuếch đại công suất trên máy phan tích phổ. ........... 55
Hình 3.37: Mô phỏng Anten mảng vi dải 8 phần tử trên phần mềm CST. ................... 57
Hình 3.38: Kết quả mô phỏng tham số S11 của Antenna. ............................................ 58
Hình 3.39: Giản đồ bức xạ và đồ thị biểu diễn độ lợi (Gain)và hướng tính của anten.
....................................................................................................................................... 59
Hình 3.40: Sản phẩm thực tế anten mảng vi dải 8 phần tử. ......................................... 60
Hình 3.41: Đo đạc Anten mang vi dải với máy phân tích mạng. .................................. 60
Hình 3.42: Kết quả đo tham số S11 trên máy phân tích mạng. .................................... 61
Hình 3.43: Sơ đồ nguyên lý mạch nhân áp phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây
chêm đơn hở mạch. ....................................................................................................... 62
Hình 3.44: Kết quả mô phỏng mạch nhân áp phối hợp trở kháng tại tần số 2.45GHz. 62
Hình 3.45: Thiết kế layout mạch nhân điện áp có phối hợp trở kháng. ....................... 63
Hình 3.46: Sản phẩm thực tế mạch nhân điện áp có phối hợp trở kháng. ................... 63
Hình 3.47: Mô hình thử nghiệm truyền năng lượng không dây.................................... 64

8


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, các nguồn tài nguyên hóa thạch đang dần cạn kiệt và lâu dài không
thể đảm bảo về an ninh năng lượng. Con người đang hướng tới khai thác và sử
dụng ngày càng nhiều các nguồn năng lượng sạch và tái tạo khác như năng lượng
mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sóng biển v.v. Đặc biệt năng lượng Mặt Trời
đang được khai thác ngày càng nhiều. Việc khai thác này chủ yếu thực hiện trên bề
mặt trái đất dẫn đến hiệu quả chưa cao, dễ gây ô nhiễm môi trường và bị ảnh hưởng
bởi hiện tượng ngày và đêm.
Vì vậy, từ những năm 1970, người ta đã đề xuất việc xây dựng một hệ thống
vệ tinh thu năng lượng mặt trời trong vũ trụ rồi truyền về Trái Đất, giải pháp này đã
nhận được nhiều tổ chức chính phủ và các tập đoàn lớn như NASA đầu tư. Giai
đoạn này tập trung chủ yếu phát triển công nghệ truyền không dây dùng sóng điện
từ phát xạ để truyển năng lượng điện không dây với khoảng cách truyền xa có thể
tới vài trăm ki-lô-mét.
Cho đến ngày nay, công nghệ này vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu và phát
triển mạnh mẽ để ứng dụng vào công nghiệp cũng như cuộc sống thường ngày.
Trong tương lai, các hệ thống robot hay xe tự lái sẽ tự động hóa hoàn toàn khi việc
sạc năng lượng dễ dàng được tự động hóa. Các thiết bị điện trong gia đình sẽ không
còn cần phải cắm điện nữa, các thiết bị di động cầm tay sẽ không còn phải quá
nặng do pin và cũng không cần phải sạc pin mỗi ngày khi mà nó sẽ được cấp điện
trực tiếp hoặc sạc ngay cả khi đang sử dụng trên tay người dùng.
Với tên đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ nạp điện không dây cho điện
thoại di động” tôi muốn hướng đến việc xây dựng một mô hình hệ thống truyền
năng lượng dùng sóng siêu cao tần ở khoảng cách gần dùng cho những ứng dụng
truyền điện nhỏ và đơn giản. Để từ đó phát triển thành nghiên cứu những hệ thống
truyền năng lượng với công suất lớn hơn và với khoảng cách xa hơn ứng dụng
truyền tải điện không dây cho công nghiệp và cho vũ trụ. Bằng lý thuyết và thực

nghiệm, luận văn đã thực hiện những nội dung sau:
+ Tìm hiểu hệ thống truyền năng lượng không dây dùng sóng siêu cao
tần, cấu trúc hệ thống thu – phát năng lượng không dây.
+ Tìm hiểu về lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật phối hợp trở
kháng, lý thuyết anten mảng vi dải nhiều phần tử.
+ Chế tạo mô đun khuếch đại công suất hoạt động ở tần số 2.45GHz với
hệ số khuếch đại trên 10 dB.
+ Chế tạo anten mảng vi dải nhiều phần tử dùng cho hệ thống phát – thu.
+ Tìm hiểu lý thuyết, mô phỏng và chế tạo mạch chỉnh lưu chuyển đổi
RF-DC hoạt động ở tần số 2.45GHz.
+ Đánh giá kết quả đã đạt được và kết luận.
9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG
SIÊU CAO TẦN
1.1.

Truyền năng lượng không dây
Định nghĩa: Truyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây
WPT(Wireless Power Transmitter) là quá trình truyền năng lượng trong một
dạng nào đó xảy ra trong một môi trường xác định, ở đó năng lượng được truyền
dẫn theo một hướng từ một nguồn năng lượng đến một tải tiêu thụ mà không
cần dây dẫn[1].
Truyền năng lượng không dây khác với truyền thông tin không dây trong
viễn thông (như Radio, TV, Radar,…) ở đó thông tin ở phía máy phát tuy có lớn
(cỡ W,kW) nhưng được truyền đi mọi hướng, tín hiệu có thể được nằm trong
một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở phía thu thường rất nhỏ (cỡ vài nW
đến vài μW) sau đó được mô đun thu xử lý khuếch đại để phục hồi lại thông tin
ban đầu. Còn trong lĩnh vựa truyền năng lượng không dây thì truyền có định

hướng, mật độ năng lượng và hiệu suất truyền năng lượng là quan trọng nhất, ở
đây tín hiệu mang năng lượng thường chỉ tồn tại ở một tần số.

1.1.1. Lịch sử hệ thống truyền năng lượng không dây[5]
- Năm 1891, Nikola Tesla là một trong những người đầu tiên đưa ra ý tưởng
truyền năng lượng không dây và ông đã chứng minh ý tưởng của mình bằng
việc thắp sáng không dây cho các bóng đèn huỳnh quang tại triển lãm
Chicago vào năm 1893.
- Năm 1961, Brown đã đăng bài báo đầu tiên đề xuất việc truyền năng lượng
bằng vi ba. 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.
- 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 đèn chiếu sáng, thiết bị di động,…
- Năm 2004, phương thức truyền công suất cảm ứng đã được sử dụng rộng rãi,
doanh thu đạt 1 tỷ USD đối với các lĩnh vực bán dẫn, LCD và chế tạo màn
hình Plasma.
- Năm 2007, nhóm của giáo sư Marin Soljacic ở MIT đã truyền năng lượng
không dây để thắp sáng một đèn điện 60W với hiệu suất 40% ở khoảng cách
2 mét.
- 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 75%.
10


- Năm 2010, tập đoàn Haier biểu diễn TV màn hình LCD hoàn toàn không dây
đầu tiên trên thế giới tại hội trợ CES 2010.
- Tháng 3/2015, các nhà khoa học Nhật Bản đã thử nghiệm dùng sóng vi ba
công suất 1.8kW, đủ để chạy một ấm đun nước điện qua không khí tới mục

tiêu chỉ định ở khoảng cách 55 mét.
1.1.2. Đặc điểm chung của hệ thống
- Truyền năng lượng không dây có thể được phân chia thành hai loại chính:
o Truyền năng lượng không dây dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện từ hay
cảm ứng từ. Phương pháp này được ứng dụng phổ biến trong các ứng
dụng truyền tải năng lượng tiệm cận không tiếp xúc.
o Truyền năng lượng không dây dựa trên hiệu ứng sóng điện từ. Năng
lượng được truyền đi theo các chùm tia năng lượng có mật độ công suất
lớn hay còn được gọi là chùm tia công suất cao (high power beam). Chùm
tia này di chuyển trong không gian theo hiện tượng sóng điện từ. Tùy vào
các ứng dụng cụ thể, khoảng cách truyền có thể thay đổi từ vài mét đến
vài chục hay hàng nghìn km.
1.1.3. Mô hình hệ thống truyền năng lượng không dây

Hình 1.1: Mô hình hệ thống truyền năng lượng không dây.
- Đầu tiên, ở bên phát, năng lượng điện được chuyển hóa thành sóng vi ba
thông qua bộ tạo dao động, qua các tầng khuếch đại rồi đưa đến anten để
truyền đi.
- Ở nơi nhận, sóng vi ba được thu bởi anten rồi qua bộ lọc phối hợp trở kháng
lấy tín hiệu có ích, tín hiệu này được đưa đến bộ chỉnh lưu để chuyển hóa từ
năng lượng sóng vi ba thành năng lượng một chiều, năng lượng này chính là
năng lượng dùng cho các thiết bị dân dụng thông thường. Anten thu bao gồm
11


cả nhận sóng vi ba và chỉnh lưu gọi là Rectenna. Rectenna nhận sóng vi ba
chuyển đổi thành năng lượng điện và sau đó hòa vào mạng lưới.
- Với nguyên lý hoạt động như vậy, hệ thống truyền năng lượng không dây có
thể được ứng dụng cho hệ thống truyền năng lượng từ vệ tinh với khoảng
cách hàng chục nghìn mét. Các tấm pin mặt trời ngoài không gian lấy năng

lượng mặt trời rồi chuyển đổi thành điện năng, năng lượng điện năng sẽ được
chuyển hóa thành năng lượng sóng siêu cao tần truyền về Trái Đất. Trên mặt
đất, các trạm thu nhận sóng siêu cao tần rồi chuyển hóa năng lượng của chúng
thành năng lượng điện một chiều dùng cho các ứng dụng sinh hoạt hang ngày.
1.2.

Tổng hợp các nghiên cứu phần phát của WPT[11].
Bộ phát sóng siêu cao tần công suất lớn trong WPT là thành phần quan trọng
nhất. Các bộ phát phải gọn nhẹ nhằm mục đích giảm giá thành và hiệu suất cao
để giảm ảnh hưởng về nhiệt. Linh kiện bán dẫn ngày càng nhỏ gọn và nhẹ. Các
bộ khuếch đại bán dẫn có thể trở thành nhân tố làm giảm giá thành của hệ thống
với nhiều mức yêu cầu về công suất. Điều này thể hiện qua việc công suất của
hệ thống được tổ hợp qua các mô đun riêng lẻ.
Qua tổng hợp các công trình đã công bố cho thấy các công trình nghiên cứu về
bộ phát ứng dụng cho WPT còn ít, trong khi đó các công trình nghiên cứu sử
dụng cho hệ thống thông tin đã phát triển nhiều và có nhiều thành công. Tuy
nhiên, chúng ta không thể áp dụng hoàn toàn kết quả này cho hệ thống WPT bởi
vì những khác biệt cơ bản sau:
o Với WPT vấn đề hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng điện một chiều
thành sóng siêu cao tần là quan trọng nhất.
o Hệ thống WPT đòi hỏi công suất phát lớn, độ định hướng cao dẫn đến
phải xây dựng các anten mảng pha. Như vậy, chúng ta cũng cần phải thiết
kế mạch khuếch đại có công suất lớn và anten mảng có độ định hướng
cao.
o Ổn định nhiệt cho hệ thống cũng là một yêu cầu quan trọng được đặt ra
khi thiết kế bộ phát cho WPT.
Mặt khác, hầu hết các công trình chỉ tập trung vào việc nghiên cứu phần khuếch
đại công suất mà chưa đi sâu vào các thành phần khác của tuyến phát như: mạch
khuếch đại đệm, mạch khuếch đại công suất, antenna phát cũng như các thành
phần của bộ thu như antenna thu, mạch lọc, mạch chỉnh lưu, mạch phối hợp trở

kháng.
Từ đó, luận văn đề xuất xây dựng các thành phần của tuyến phát-thu năng lượng
sóng siêu cao tần cho hệ thống truyền năng lượng không dây ứng dụng cho việc
sạc điện thoại di động, cụ thể gồm: thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại đệm, mạch
khuếch đại công suất, anten thu – phát, bộ chỉnh lưu. Trong đó, nghiên cứu đề
12


xuất giải pháp phối hợp trở kháng dải rộng, kết hợp việc thay đổi thang trở và
dùng phần tử tập trung đặc trưng cho hệ thống khuếch đại công suất dùng cho
hệ thống truyền năng lượng không dây cũng như có thể ứng dụng cho hệ thống
truyền thông tin hoạt động trong băng tần S.
1.3.

Tìm hiểu Anten mảng vi dải nhiều phần tử[2]
- Trong các hệ thống thu phát năng lượng không dây sử dụng sóng siêu cao
tần, các anten đóng vai trò vô cùng quan trọng trong khía cạnh định hướng
năng lượng nên anten ảnh hưởng rất lớn đến hiêu suất thu phát của cả hệ
thống.
- Vì vậy, với hệ thống WPT, chúng ta phải sử dụng anten mảng vi dải nhiều
phần tử để điều chỉnh chính xác chùm tia vi ba. Anten mảng nhiều phần tử
là loại anten định hướng, nó có thể điều khiển hướng của chùm tia vi ba.
- Anten mảng là một loại anten thuộc loại anten thông minh mới phát triển
trong những thập niên gần đây.
- Gồm nhiều anten phần tử cùng loại được sắp xếp theo một quy tắc nhất
định nhằm mục đích nâng cao độ định hướng của anten.

Hình 1.2: Anten mảng vi dải nhiều phần tử.
13

1.4.

Tổng hợp các nghiên cứu về Rectenna[8]

1.4.1. Rectenna
- Rectenna là một từ ghép của từ Rectifier và từ Antenna. Đây là một thuật ngữ
xuất hiện trong nửa cuối thế kỉ 20. Thuật ngữ này mô tả công nghệ sử dụng cho
phương pháp truyền năng lượng không dây mà ở đó tại thiết bị thu sử dụng các
anten để thu năng lượng tín hiệu sóng điện từ sau đó được chuyển đổi dạng
năng lượng từ năng lượng sóng điện từ sang năng lượng dòng điện một chiều
DC.
1.4.2. Các nghiên cứu về rectenna
- Rectenna công suất lớn cho hệ thống truyền năng lượng không dây khoảng cách
gần là chủ đề được rất nhiều nhà khoa học trẻ quan tâm trong những năm gần
đây. Có nhiều cách tiếp cận bài toán này:
o Sử dụng các bộ lọc LC cho phía phát là cách tiếp cận nâng cao hiệu suất
và công suất của hệ thống truyền năng lượng không dây khoảng cách gần.
Với phương pháp này tác giả đã đạt được hiệu suất 73% và công xuất đạt
2.5kW. Đây là công bố của tác giả Kazuya và Kan Akatsu trên tạp chí
khoa học IEEE 2017 chủ đề Wireless Power Transmitter.
o Một số tác giả Ding Binh Lin, His Tseng Chou, Jui-Hung và Yu-Lin
Cheng đi theo hướng phân tích các đặc điểm ứng xử của sóng điện từ
trong trường gần, từ đó tối ưu thiết kế anten thu và phát để nâng cao hiệu
suất truyền năng lượng. Hướng đi này cũng đã đạt được một số kết quả
khá khả quan.
o Một số các nghiên cứu theo hướng nâng cao hiệu suất phía phát. Tập
trung nâng hiệu suất của bóng khuếch đại để làm tang hiệu suất tạo chùm
tia năng lượng công suất lớn cho phép truyền năng lượng đi hiệu quả hơn.
- Tóm lại, các thiết kế trên để đáp ứng tăng mức công suất truyền tải đều phải yêu

cầu tăng kích thước và số lượng các bộ rectenna. Một điểm hạn chế nữa đó
chính là sự giới hạn về mức công suất của từng đơn vị rectenna sẽ không thể
vượt qua ngưỡng 30dBm mà hiệu suất vẫn đảm bảo cao.

14


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN
2.1. Cơ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần
2.1.1. Giới thiệu chung[4]
- Sóng siêu cao tần là các sóng vô tuyến bước sóng rất nhỏ được trải dài từ 1mm
đến 1m (tần số nằm trong dải từ 300MHz đến 300GHz)
- Kỹ thuật siêu cao tần là kỹ thuật thiết kế hệ thống truyền thông trong dải sóng
siêu cao tần
- Mạch siêu cao tần là một nhóm các thiết bị vật lý bao gồm các ống dẫn sóng,
các bộ suy giảm điện áp các bộ xoay pha, bộ trộn, bộ tách sóng,… và vô số các đường
nối được sắp xếp hoặc kết nối với nhau để tạo ra hiệu ứng mong muốn của sóng cao
tần.
- Băng tần là một miền của phổ tần số truyền thông, ở đó các kênh thường được
sử dụng hoặc được thiết lập với cùng mục đích. Dưới đây là bảng tổng hợp các bảng
tần số cơ bản.
Bảng 1: Băng tần sóng cao tần theo IEEE.
Băng tần

Tần số

Tên gọi – Bước sóng

3 tới 30 MHz

Tần số cao:10-100m

Băng
VHF

30 tới 300 MHz

Tần số rất cao:1-10m

Băng
UHF

300 tới 1000 MHz

Tần số cực cao:0.3-1m

Băng L

1 tới 2 GHz

Sóng dài:15-30cm

Băng S

2 tới 4 GHz

Sóng ngắn: 7.5-15cm

Băng C

4 tới 8 GHz

Dải tần nằm giữa băng S và X: 3.75-7.5cm

Băng X

8 tới 12 GHz

Băng Ku
Băng K

12 tới 18 GHz
18 tới 27 GHz

Sử dụng trong Thế chiến II cho hệ thống
điều khiển hỏa lực, X có nghĩa là chữ
thập:2.5-3.75cm
Kurz-under 1.67-2.5cm
Kurz:1.11-1.67cm

Băng HF

15


Băng Ka
Băng mm

27 tới 40 GHz

Kurz-above :0.75-1.11cm

40 tới 300 GHz

Dùng cho hoạt động kiểm thử thông tin dùng
giữa các vệ tinh trong cụm vệ tinh: 1-7.5mm

- Băng S là một phần của băng tần vi ba thuộc phổ điện từ. Nó được định nghĩa
theo một tiêu chuẩn của IEEE cho sóng vô tuyến với tần số trong dải 2 tới 4
HGz, tần số 3 GHz là ranh giới giữa UHF và SHF. Băng S được dùng cho radar
thời tiết, radar tàu biển, thông tin vệ tinh, truyền năng lượng không dây và đặc
biệt được NASA dùng cho lien lạc giữa tàu con thoi và trạm không gian quốc tế.
Ở một số nước, băng S được dùng cho truyền hình vệ tinh gia đình, thử nghiệm
truyền năng lượng không dây dùng sóng siêu cao tần.
2.1.2. Các tham số cơ bản
2.1.2.1. Đường truyền sóng
Đường truyền sóng là đường truyền dẫn sóng điện từ. Một đường truyền
sóng thường được mô tả như một hệ gồm hai dây dẫn song song (khi truyền dẫn
sóng TEM cần ít nhất 2 vật dẫn ) với một phần tử rất ngắn như trình bày trên
Hình 2.1 (a) .Ta có một mạch tương đương biểu diễn bởi 4 phần tử tập trung
được mô tả trên Hình 2.1 (b).

Hình 2.1: Đường truyền sóng (a) và mạch tương đương (b).
Trong đó:
+ G: Điện dẫn song song trên một đơn vị dài (S/m).
+ C: Điện dung song song trên một đơn vị dài (F/m).
16


Một dòng điện dọc theo chiều dài dây dẫn sẽ taọ ra một dòng điện trong dây

dẫn theo chiều ngược lại đó là thành phần cảm ứng, cũng sẽ có một điện trở hữu
hạn nối tiếp trong các dây dẫn.
+ R: Điện trở nối tiếp (Ω);
+ L: Điện cảm nối tiếp (H);
Áp dụng định luật Kirchhoff ta có phương trình đường truyền:
(2.1)
(2.2)
Lấy đạo hàm các phương trình ta được:
(2.3)
(2.4)
Với
với là một số phức.
Vậy phương trình truyền sóng của đường truyền là phương trình vi
phân tuyến tính. Nghiệm chung của phương trình truyền sóng:
(2.5)
(2.6)
Các hàm V(z) và I(z) mô tả dòng và thế tại mọi vị trí z trên đường truyền.
Sóng
hay
truyền theo phương +z.
Sóng
hay
truyền theo phương –z.

Hình 2.2: Sóng truyền trên đường truyền.

17


2.1.2.2. Hệ số phản xạ

Nếu định nghĩa hệ số phản xạ là tỷ số của sóng phản xạ trên sóng tới thì
ta xác định được hệ số phản xạ tại z = 0 (vị trí mắc tải).
(2.7)
(2.8)
Rõ ràng biên độ phản xạ có giá trị bằng hoặc nhỏ hơn 1 hay |Γ| ≤ 1
Áp dụng công thức trên ta có:
(2.9)
]

(2.10)

Dựa vào các biểu thức trên ta có thể thấy rằng điện áp và dòng điện trên
đường truyền được xác định bởi sự “xếp chồng” của hai sóng tới và sóng phản xạ.
Do vậy biên độ |V| và |I| tại mỗi vị trí z sẽ có giá trị khác nhau. Có những điểm, biên
độ |V| hoặc |I| luôn đạt cực đại, ngược lại có giá trị luôn đạt cực tiểu, nghĩa là biên
độ điện áp (dòng điện) có dạng dao động theo z. Sóng này gọi là sóng đứng.
Như vậy hiện tượng sóng đứng sẽ xảy ra khi hệ số phản xạ khác 0
(Γ≠0). Khi Γ = 0 trên đường truyền chỉ có một sóng là sóng tới có dạng sóng chạy.
Như vậy sóng chạy sẽ xảy ra khi:
Γ = 0 hay
ta nói đường truyền được phối hợp trở kháng.
2.1.2.3. Hệ số sóng đứng điện áp (VSWR)
Có những điểm, biên độ |V| hoặc |I| luôn đạt cực đại hoặc cực tiểu,
nghĩa là biên độ điện áp (dòng điện) có dạng dao động theo z.
Ta xét sóng điện áp trên một đường truyền:
(2.11)
Biên độ điện áp:
|
(2.12)
|

| | ||
Viết lại công thức trên theo (2.12), lấy l = -z, ta có:
|
(2.13)
| | | ||
Có thể biểu thị dưới dạng: Γ = |Γ|
Công thức (2.13) sẽ có dạng:
| |
|
(2.14)
| | | ||
Ta nhận thấy V đạt giá trị cực đại khi
, tương ứng với:
(2.15)
18


Ta nhận thấy V đạt giá trị cực tiểu khi

, tương ứng

với:
(2.16)
Từ (2.15) ta xác định khoảng cách giữa hai điểm cực đại kề nhau:
(2.17)
Với đường truyền không tổn hao
, do đó
.
Khoảng cách giữa hai điểm cực đại và cực tiểu kề nhau là:
(2.18)

Từ đó

.

Ta có hình ảnh sóng đứng điện áp trên đường dây truyền sóng không
tổn hao:

Hình 2.3: Sóng đứng điện áp trên đường truyền không hao tổn có mắc tải đầu cuối.

Hình 2.4: Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường truyền không hao tổn
có mắc tải đầu cuối.
19


Các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực tiểu được gọi là điểm “nút”,
còn các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực đại gọi là điểm “bụng”. Các điểm nút
và điểm bụng của sóng đứng dòng điện cũng định nghĩa tương tự. Rõ rang điểm nút
của sóng đứng điện áp sẽ tương ứng với điểm bụng của sóng đứng dòng điện và
ngược lại.
Tại các điểm bụng của sóng đứng ta có:
| |
| |)
(2.19)
|

Còn tại điểm nút ta có:

|

| |)

|

|

|

|

(2.20)

| |)

(2.21)

| |)

(2.22)

Tỷ siis biên độ của điện áp tại điểm bụng và điểm nút được gọi là hệ số
sóng đứng, viết tắt là VSWR.
| |
1 ≤ VSWR ≤
(2.23)
| |

Khi Γ = 0 ta có hệ số sóng đứng VSWR = 1, nghĩa là biên độ của sóng
điện áp (hoặc dòng điện) có giá trị như nhau trên suốt chiều dài của đường truyền.
Sóng trên đường truyền được gọi là sóng chạy.
Từ công thức trên ta cũng rút ra được quan hệ giữa hệ số sóng đứng S

và hệ số phản xạ Γ:
| |
(2.24)
2.1.2.4. Công suất trung bình truyền theo đường dây truyền sóng
Ta khảo sát công suất trung bình theo đường truyền, qua điểm có tọa độ z, ta
có công thức:
|

|

| |

(2.25)

Ta thấy:
|

|

|

|

là công suất trung bình của sóng tới.
| | là công suất trung bình sóng phản xạ

Như vậy, công suất trung bình = hiêu công suất trung bình sóng tới – công
suất trung bình sóng phản xạ.
Ta có một số nhận sét sau:
+ Khi Γ = 0, phối hợp trở kháng: toàn bộ công suất được truyền cho tải.

+ Khi Γ = 1, công suất sóng tới và sóng phản xạ có giá trị bằng nhau do đó
công suất truyền cho tải bằng 0.
20


+ Khi Γ ≠ 0, không phải toàn bộ công suất được truyền cho tải mà còn có một
bộ phận bị phản xạ lại gây tổn hao công suất. Ta gọi đó là tổn hảo do phản xạ (tỷ số
giữa công suất phản xạ và công suất đến).
2.2. Giản đồ Smith
Trong kỹ thuật siêu cao tần các bài toán phân tích thiết kế các mạch điện ở tần
số siêu cao thường dẫn tới việc giải các hệ phương trình rất phức tạp. Để đơn giản
hóa các bài toán, chúng ta có thể giải thông qua các đồ thị giản đồ.
Và giản đồ được biết đến, sử dụng rộng rãi và là công cụ đồ họa hữu dụng
dành cho các kỹ sử điện tử, đặc biệt là điện tử cao tần là Giản đồ Smith được Phillip
Smith phát minh tại phòng thí nghiệm Bell Telephone vào năm 1939. Giản đồ có thể
sử dụng để biểu diễn nhiều tham số của đường dây truyền dẫn cũng như mạch cao
tần (trở kháng, dẫn nạp, hệ số phản xạ).
Giản đồ này được biểu diễn hình học bởi biểu thức:
(2.26)
Viết chuẩn hóa dưới dạng (chia cho R0)
(2.27)
Với Γ = |Γ|

, biểu thức chuẩn hóa có dạng:
| |

(2.28)

| |

Hệ số phản xạ Γ bất kỳ có thể biểu diễn lên hệ tọa độ dưới dạng một bán kính
vector |Γ| và góc pha θ. Ứng với mỗi điểm trên mặt phẳng của hệ số phản xạ có một
giá trị của hệ số phản xạ và một giá trị trở kháng z xác định.
Ta có,
và
thay vào biểu thức ban đầu:
(2.29)
Trong đó:

là điện trở của tải, là trở kháng của tải.
là phần thực của hệ số phản xạ Γ.
là phần ảo của hệ số phản xạ Γ.
Trên mặt phẳng hệ số phản xạ (giới hạn trong vòng tròn bán kính bằng một và
|Γ| ≤ 1) có thể vẽ được 2 họ đường cong, một họ gồm những đường đẳng r=const và
một họ gồm những đừng đẳng điện kháng x=const.
(2.30)
(2.31)
Biến đổi ta nhận được:
(2.32)
(2.33)
21


Mỗi phương trình trên biểu thị một họ đường tròn trong mặt phẳng

,

Hình 2.5: Các vòng tròn đẳng r trong mặt phẳng phức Γ.
- Vòng tròn đẳng r:
o Các đường đẳng r là họ các vòng tròn có tâm nằm trên trúc hoành của

giản đồ và luôn đi qua điểm có
. Giá trị r của mỗi vòng tròn đẳng
r được ghi dọc theo trục hoành, từ 0 → (điểm bên trái ứng với giá trị
r = 0, điểm bên phải ứng với giá trị r = ).
o Ta có những nhận xét sau:
 Khi r=0, đường tròn r=0 có tâm tại (0,0) bán kính đơn vị 1. Đây
là đường tròn có tâm tại gốc tọa độ của mặt phẳng phức Γ án
kính là 1. Tất cả các giá trị của hệ số phản xạ trên đường tròn này
đều tương ứng với trở kháng đường dây thuần kháng với thành
phần điện trở bị triệt tiêu. Ta có thể kiểm chứng được rằng trong
điều kiện trở kháng đường dây là thuần kháng hoặc bằng 0 (hay
) thì |Γ|=1.
 Khi r=1, ta có đường tròn đẳng r=1 đi qua gốc tọa độ của Γ có
tâm là (1/2,0) bán kính 0.5. Đường tròn này có tâm nằm trên trục
. Ta nói rằng mọi điểm hệ số phản xạ Γ nằm trên vòng tròn đều
tương ứng với trở kháng của đường dây có phần thực R đúng
bằng trở kháng chuẩn hóa .
22