Nghiên cứu giải pháp truyền năng lượng siêu cao tần phục vụ cho khai thác năng lượng mặt trời luận án TS kỹ thuật điện, điện tử và viễn thông 60520

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐOÀN HỮU CHỨC

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN
PHỤC VỤ CHO KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT
ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

HÀ NỘI - 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐOÀN HỮU CHỨC

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN
PHỤC VỤ CHO KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 62520203
LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ,
TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS Bạch Gia Dương

HÀ NỘI- 2017

i


LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả dưới sự
hướng dẫn của GS.TS Bạch Gia Dương. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác trừ các
công trình của tác giả.
Nếu có gì sai trái tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 2017
Tác giả

Đoàn Hữu Chức

ii


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận án này, em xin chân thành cảm ơn sự chỉ bảo,
hướng dẫn nhiệt tình của thầy hướng dẫn GS.TS Bạch Gia Dương. Nhờ có
những hướng dẫn và giúp đỡ của thầy em đã hoàn thành được luận án này.
Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện trong quá trình tôi
thực hiện luận án của các cán bộ Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, các
thầy cô trong Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học
Quốc Gia Hà Nội.
Tôi cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện cho tôi có được
thời gian thuận lợi làm nghiên cứu sinh của lãnh đạo Trường Đại Học Dân Lập
Hải Phòng cũng như sự động viên giúp đỡ của các đồng nghiệp công tác tại Khoa
Điện – Điện tử của nhà trường.

Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người luôn ở bên và cho tôi những sự
động viên khích lệ lớn lao trong thời gian thực hiện luận án này.

Đoàn Hữu Chức

iii


Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG
SIÊU CAO TẦN VÀ NHỮNG YÊU CẦU ĐẶC THÙ KHI SỬ DỤNG
CHO VỆ TINH NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1.

Lịch sử phát triển của WPT

1.2.

Khái quát hệ thống truyền năng lượng không dây

1.3.

Hệ thống vệ tinh năng lượng mặt trời SPS

1.4.

Tổng hợp các nghiên cứu phần phát của MPT ứng dụng c

1.4.1. Bộ khuếch đại sử dụng bán dẫn
1.4.2. Anten phát
1.4.3. Những vấn đề về bộ phát và đề xuất giải pháp, mục tiêu cho SPS
1.5.

Tổng hợp các nghiên cứu về Rectenna

1.5.1. Rectenna
1.5.1.1.

Các

1.5.1.2.

Các

1.5.1.3.
1.5.2. Mảng Rectenna

Các

1.5.3. Những vấn đề về Rectenna và đề xuất giải pháp cho SPS
1.6.

Kết luận và mục tiêu luận án

Chương 2. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH
iv


ĐẠI CÔNG SUẤT PHỤC VỤ CHO PHẦN PHÁT NĂNG LƯỢNG
SÓNG SIÊU CAO TẦN

2.1.
Cấu trúc chung của mạch khuếch đại
2.2.
Phương pháp phối hợp trở kháng dải rộng, thay đổi nhiều thang trở
kháng đặc trưng
2.3. Mạch dao động sử dụng SPS3043
2.3.1. Thiết kế chế tạo mạch
2.3.2. Kết quả thực nghiệm
2.4.

Mạch khuếch đại công suất dùng AH201

2.4.1. Thiết kế và mô phỏng
2.4.2. Chế tạo và kết quả thực nghiệm
2.5.

Mạch khuếch đại công suất dùng PTFA240451E

2.5.1. Thiết kế và mô phỏng
2.5.1.1. Đề xuất phương pháp thiết kế
2.5.1.2. Mạch phối hợp trở kháng lối vào
2.5.1.3. Mạch phối hợp trở kháng lối ra

2.5.2. Chế tạo và kết quả thực nghiệm
2.5.2.1. Chế tạo mạch khuếch đại
2.5.2.2. Kết quả thực nghiệm
2.5.2.3. Thực nghiệm kiểm tra phát công suất thực tế của bộ khuếch đại
2.6.

Tổ hợp công suất bằng mạch cầu Wilkinson

2.6.1. Nguyên lý chung
2.6.2. Mạch Wilkinson 4 đường
2.6.3. Mạch Wilkinson 8 đường
2.6.4. Tổ hợp công suất sử dụng các mạch cầu Wilkinson
Nhận xét và kết luận chương 2
Chương 3. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC
RECTENNA
3.1.

Giới thiệu
v


3.2. Thiết kế Anten thu
3.2.1. Anten mạch dải đơn
3.2.1.1. Tính toán kích thước miếng Patch
3.2.1.2. Đoạn phối hợp trở kháng /4và feedline 50Ω
3.2.1.3. Chế tạo và kết quả thực nghiệm
3.2.2. Anten mảng 1x4 chấn tử
3.2.2.1. Tính toán kích thước các miếng Patch
3.2.2.2. Đoạn phối hợp trở kháng /4, 50Ω và 99Ω
3.2.2.3. Kết quả mô phỏng

3.2.2.4. Chế tạo và kết quả thực nghiệm
3.2.3. Anten mảng 2x4 chấn tử
3.3. Thiết kế và chế tạo các mạch chỉnh lưu siêu cao tần
3.3.1. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ kiểu nối tiếp
3.3.2. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ kiểu shunt
3.3.3. Mạch chỉnh lưu kiểu nhân đổi điện áp Villard
3.3.4. Mạch nhân áp phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây chêm đơn
3.5. Thử nghiệm hệ thống truyền năng lượng không dây
Nhận xét và kết luận chương 3
Kết luận và kiến nghị
Danh mục các công trình công bố của tác giả liên quan đến luận án
Tài liệu tham khảo

vi


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các kí hiệu
STT

Kí hiệu

Mô tả

1.



Độ lệch pha

2.

L

Hệ số hiệu chỉnh chiều cao kích thước miếng
patch anten mạch dải

3.



Hệ số truyền sóng

4.



Hiệu suất chuyển đổi

5.



Bước sóng tín hiệu



Pha tín hiệu trong biểu diễn phức

6.

7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.





B
c
C
D
f
g

Hằng số điện môi
Tần số góc của tín hiệu
Vận tốc sóng điện từ
Hệ số phản xạ
Điện dẫn song song
Tốc độ ánh sáng
Giá trị điện dung
Khoảng cách

Tần số của tín hiệu

Chiều rộng đoạn ăn sâu vào miếng patch của
anten mạch dải

17.
18.
19.
20.

G
h
i
I

Độ lợi hoặc hệ số khuếch đại
Độ dày miếng phíp đồng chế tạo mạch
Đơn vị phức
Cường độ dòng điện của tín hiệu

vii


21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.

28.
29.
30.

31.

Danh mục các chữ viết tắt
STT
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

8.

9.
viii


10.
11.

12.

13.

14.

15.

16.
17.

18.
19.

20.
21.
22.

23.

24.
25.

ix


26.

WPD

27.

WPT

DAN

Số hiệu
1.1

Các thông số của a

1.2

So sánh các thông

1.3

Các đặc tính của b
gian

1.4

Hiệu suất biến đổi

1.5

Hiệu suất của Rect

2.1

So sánh các thông

khuếch đại AH201
2.2

Các thông số trở k

3.1

Các thông số thiết

3.2

Các thông số kích

3.3

Thông số kích thướ

3.4

Thông số thiết kế a

3.5

Kích thước anten 2

3.6

Điện áp lối ra (V)

tải khác nhau mạch
3.7

Điện áp lối ra (V)

x


khác nhau mạch kiểu shunt
3.8

Điện áp lối ra (

khác nhau mạc
3.9

Điện áp lối ra (

khác nhau mạc

đoạn dây chêm
3.10 Bảng so sánh hiệu suất của các mạch chỉnh lưu
3.11 Điện áp, công suất ra trên tải và hệ số ghép công suất

Số hiệu
1.1

Tháp W

1.2

Sơ khố

1.3

Mô hìn

1.4

Sự phụ

khác n
2.1

Sơ đồ m

2.2

Sơ đồ k

trở khá
2.3

Bộ biế

2.4

Sơ đồ n

đổi nhi
2.5
2.6

Đồ thị
Sơ đồ n

SPF30
2.7

Mạch d

2.8

Kết qu

xi


2.9

Sơ đồ nguyê
AH201

2.10

Kết quả mô p
AH201

2.11

Sơ đồ mạch

2.12

Các tham số

2.13

Sơ đồ khối m

dùng PTFA2
2.14

Di chuyển vị

đoạn dây chê
2.15

Mạch phối h

2.16

Các tham số

2.17

Di chuyển vị

2.18

Sơ đồ nguyê
khuếch đại

2.19

Kết quả mô p
lối ra

2.20

Sơ đồ nguyê

PTFA240451
2.21

Sơ đồ mạch

PTFA240451
2.22

Sản phẩm c

PTFA240451
2.23

Giá trị S21
PTFA240451

2.24

Hệ số phản x
PTFA240451

2.25

Hệ số phản x
PTFA240451

xii


2.26

Hệ số S12 củ

2.27

Mô hình kiểm
thiết kế

2.28

Kết quả đo tr

2.29
2.30

Sơ đồ đo côn
Mô hình tổ h

2.31

Mạch cầu W
đương

2.32

Mạch cầu N

2.33

Sơ đồ nguyê

2.34

Kết quả mô p

2.35

Sơ đồ mạch

2.36

Hệ số suy hao

2.37

Hệ số phản xạ

2.38

Sơ đồ nguyê

2.39

Kết quả mô p

2.40

Sơ đồ mạch
8 đường

2.41

Hệ số suy ha

2.42
2.43

Hệ số S11 củ

2.44

Mô hình tổ h

3.1

Sơ đồ khối c

3.2

Đặc tuyến V-

3.3

Sơ đồ tương

3.4

Cấu trúc một

3.5
3.6

Antenna với
Giao diện cô

xiii

Mô hình tổ h


3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
3.19

3.20

Kết quả mô p
Sơ đồ Layou
Hệ số phản x
Kiểu tiếp điệ
Cấu trúc tiếp
Giá trị trở kh
Kết quả mô p
Sơ đồ mạch
tử
Kết quả đo th
Sơ đồ mạch
Kết quả mô p
Tham số S11
Mạch chỉnh

3.21

Kết quả mô
của mạch ch
Sơ đồ mạch

3.22

Giá trị hiệu s

với một số tr
3.23

Sơ đồ mạch

3.24
3.25

Kết quả mô
của mạch ch
Sơ đồ mạch

3.26

Giá trị hiệu s

với một số g
3.27
3.28
3.29

Sơ đồ nguyê
Kết quả mô
của mạch ch
Sơ đồ mạch
Villar

3.30

Hiệu suất ch
tải

xiv

3.31

Mô hình mạc
nhân áp

3.32

Kết quả mô p

3.33

Mạch nhân á
mạch

3.34
3.35

Kết quả mô
của mạch ch
Layout và m

3.36

Hiệu suất the

3.37

Mô hình hệ t

nghiệm

3.38

xv

Mô hình hệ t


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, con người đang khai thác mạnh mẽ các nguồn tài nguyên hóa
thạch sẵn có trên Trái đất để phục vụ cho cuộc sống sinh hoạt của mình như năng
lượng than đá, dầu mỏ, khí gas, v.v. Tuy nhiên các nguồn tài nguyên này đang
dần cạn kiệt và lâu dài không thể đảm bảo về vấn đề 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
sinh học, năng lượng sóng biển, v.v. Đặc biệt năng lượng mặt trời đang được khai
thác ngày càng nhiều. Mặc dù vậy 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 đặc biệt bị
ảnh hưởng bởi hiện tượng ngày và đêm. Chính vì vậy, ngay 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. Để thực hiện thành công hệ thống này cần có
những giải pháp công nghệ về nhiều lĩnh vực như:
-

Giải quyết những vấn đề về công nghệ chế tạo bộ phận thu, biến đổi

năng lượng mặt trời thành năng lượng điện một chiều thường là các khối pin
năng lượng mặt trời.

-

Giải quyết những vấn đề về công nghệ chế tạo các thành phần siêu cao

tần nhằm biến đổi từ năng lượng điện một chiều thành năng lượng siêu cao tần
dạng chùm tia viba công suất lớn.
-

Giải quyết những vấn đề về công nghệ chế tạo các thành phần thu năng

lượng siêu cao tần trên mặt đất biến đổi thành năng lượng điện cung cấp cho tải
tiêu thụ.
Từ những lý do trên cho thấy việc nghiên cứu và đề xuất xây dựng mô
hình truyền năng lượng không dây sử dụng sóng siêu cao tần hiệu suất cao là rất
1


cần thiết, vì vậy tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu giải pháp truyền năng lượng
siêu cao tần phục vụ cho khai thác năng lượng mặt trời” để thực hiện luận án của
mình.
Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của tác giả là xây dựng mô hình thực tế truyền năng
lượng không dây sử dụng sóng siêu cao tần trên mặt đất để kiểm nghiệm tính
thực tiễn của việc ứng dụng truyền năng lượng không dây trong khai thác năng
lượng mặt trời ngoài vũ trụ truyền về Trái đất. Trong luận án tác giả đi sâu vào
việc nghiên cứu thiết kế chế tạo các thành phần dùng làm nhiệm vụ biến đổi năng
lượng điện một chiều DC thành năng lượng sóng siêu cao tần công suất lớn
ở phía phát và các thành phần làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng siêu cao tần
thành năng lượng điện một chiều DC ở phía thu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án là hệ thống truyền năng
lượng không dây sử dụng sóng siêu cao tần ứng dụng cho việc khai thác năng
lượng mặt trời, cụ thể là:
-

Các thành phần ở phía phát của hệ thống truyền năng lượng không dây có

nhiệm vụ thực hiện biến đổi từ năng lượng điện một chiều DC thành năng lượng
siêu cao tần bao gồm: mạch tạo dao động, các mạch khuếch đại đệm, khuếch đại
công suất và các mạch tổ hợp công suất có suy hao nhỏ.
-

Các thành phần ở phía thu của hệ thống truyền năng lượng không dây có

nhiệm vụ thực hiện biến đổi từ năng lượng sóng siêu cao tần thành năng lượng
điện một chiều DC bao gồm: anten thu và mạch chỉnh lưu siêu cao tần có hiệu
suất cao.
Phương pháp nghiên cứu

2


Phương pháp phân tích, thiết kế, mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm
chuyên dụng siêu cao tần ADS (Advanced Design System ) của hãng Agilent kết
hợp với phương pháp thực nghiệm khoa học.
Những đóng góp của luận án
Luận án có các đóng góp mới như sau:
1.

Xây dựng thành công hệ thống thử nghiệm truyền năng lượng không

dây ở khoảng cách gần bao gồm máy phát siêu cao tần công suất lớn, tần số
2.45GHz và tuyến thu Rectenna. Công suất phát được hình thành nhờ sử dụng
phương pháp cộng công suất đồng pha, đồng biên độ từ các mô đun thành phần.
Luận án đề xuất giải pháp thiết kế phối hợp trở kháng dải rộng nhiều thang điện
trở cho phép chế tạo các mô đun phát thành phần ổn định hệ số khuếch đại với sai
khác pha và biên độ nhỏ, thỏa mãn điều kiện cộng công suất theo kiểu cầu
Wilkinson.
2. Xây dựng thành công mô hình thử nghiệm thu năng lượng siêu cao
tần
ở tuyến thu bao gồm anten thu, bộ lọc thông thấp, chỉnh lưu siêu cao tần thành
nguồn điện DC đưa ra tải. Luận án đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất của
Rectenna trên cơ sở thiết kế bộ phối hợp trở kháng dải hẹp, chọn lọc tần số và
thiết kế bộ chỉnh lưu bội áp nâng cao công suất chỉnh lưu cho các phần tử của
anten mảng pha.
Bố cục của luận án
Luận án đi sâu tìm hiểu hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng
sóng siêu cao tần ứng dụng trong việc nghiên cứu xây dựng cho hệ thống vệ tinh
thu năng lượng mặt trời trên quỹ đạo địa tĩnh truyền về trái đất. Cụ thể, nội dung
của luận án gồm 3 chương:
-

Chương 1: Trình bày tổng quan về lịch sử phát triển của lĩnh vực truyền

năng lượng không dây cũng như tổng hợp một số công trình nghiên cứu đã thực
hiện về tuyến phát cũng như tuyến thu để có thể thực hiện thành công hệ thống
3


vệ tinh thu năng lượng mặt trời trong không gian thực tế. Từ đó lựa chọn giải

pháp xây dựng một hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng sóng siêu cao
tần trên mặt đất nhằm mục đích kiểm nghiệm tính thực tế cũng như đề xuất
phương hướng giải quyết để nâng cao hiệu suất của hệ thống mục đích ứng dụng
cho hệ thống vệ tinh năng lượng mặt trời.
-

Chương 2: Trình bày nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật và công nghệ lựa

chọn các linh kiện công nghệ mới đề xuất phương pháp thiết kế và chế tạo các
mạch dao động, khuếch đại đệm, khuếch đại công suất có hiệu suất cao, nhiễu
pha nhỏ, hệ số khuếch đại công suất lớn và mạch tổ hợp công suất WPD 4 và
WPD8 đường có suy hao thấp.
-

Chương 3: Trình bày các nghiên cứu về mạch Rectenna nhằm mục đích

phục vụ cho hệ thống truyền năng lượng siêu cao tần. Đi sâu nghiên cứu các
mạch chỉnh lưu siêu cao tần và anten mạch dải. Trong chương này tác giả cũng
trình bày việc thiết kế chế tạo các mạch chỉnh lưu kiểu nối tiếp, song song và các
mạch chỉnh lưu kiểu nhân điện áp. Đồng thời đề xuất giải pháp thiết kế chế tạo
các anten mạch dải một chấn tử và các anten mảng để làm nhiệm vụ nhận năng
lượng sóng siêu cao tần cho các mạch chỉnh lưu phía sau.
-

Kết luận và kiến nghị.

4


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU

CAO TẦN VÀ NHỮNG YÊU CẦU ĐẶC THÙ KHI SỬ DỤNG CHO VỆ
TINH NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1.

Lịch sử phát triển của WPT

Truyền năng lượng không dây WPT (Wireless Power Transmission) là việc
truyền một năng lượng lớn dùng sóng điện từ truyền từ nơi này đến nơi khác mà
không sử dụng dây dẫn. Truyền dẫn năng
lượng không dây WPT là một trong những
giải pháp đầy triển vọng trong những trường
hợp chúng ta cần truyền năng lượng tới
những nơi có địa hình hiểm trở, hải đảo hoặc
truyền năng lượng từ vũ trụ về trái đất,…v.v.
Nếu sóng điện từ được sử dụng có tần số
nằm trong dải sóng siêu cao tần thì chúng ta
gọi đó là truyền năng lượng sử dụng sóng
siêu cao tần MPT (Microwave Power
Transmission). Một trong những ứng dụng
quan trọng nhất của MPT là sử

Hình 1.1 Tháp Wardenclyffe do
Nikola Tesla xây dựng.

dụng cho hệ thống truyền năng lượng mặt trời từ vệ tinh thu năng lượng mặt trời
SPS (Solar Power Satellite) trong vũ trụ truyền về trái đất. Đặc biệt sau thảm họa
điện hạt nhân Fukashima tại Nhật Bản năm 2011 thì vấn đề về khai thác năng
lượng sạch trong đó có năng lượng mặt trời sử dụng vệ tinh SPS lại càng được
quan tâm nghiên cứu. Sau đây tác giả điểm qua một số dấu mốc phát triển của
lĩnh vực truyền dẫn không dây WPT.

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
5


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 phục vụ cho
việc truyền năng lượng điện không dây hơn là truyền điện tín [1, 12, 48].
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
100feet (30m) [1].
Năm 1961 Brown đã đăng bài báo đầu tiên đề xuất việc truyền năng lượng
bằng sóng siêu cao tần và năm 1964 ông đã trình diễn mô hình máy bay trực
thăng thu năng lượng từ chùm tia siêu cao tần 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, gọi là
băng tần ISM (Industry, Science, and Medical)[1,12].
Năm 1968 tiến sĩ Peter Glaser của Công ty Arthur D. Little đưa ra ý tưởng
dùng MPT cho hệ thống vệ tinh truyền năng lượng mặt trời SPS (Space Power
Satellite) do ông đề xuất[12,58]. Theo đó SPS bao gồm một hệ thống truyền năng
lượng siêu cao tần MPT với các tấm pin mặt trời và các bộ sóng siêu cao tần.
Việc thử nghiệm truyền không dây với công suất vài chục kW đã được thực
hiện năm 1975 tại Goldstone ở California và năm 1977 ở Grand Bassin trên đảo
Reunion[1,12].
Năm 1983 và 1993 nhóm nghiên cứu của Hiroshi Matsumoto đã thực hiện thử
nghiệm MPT đầu tiên trong không gian. Đó là hệ thống rocket gọi là MINIX
(Microwave Ionoshere Nonlineat Interaction eXperiment) năm 1983 và ISYMETS (International Space Year Microwave Energy Transmission in Space) vào
năm 1993[12].

6


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[12].
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%[1].
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 [1].
Năm 2011, Shigeo Kawasaki thực hiện truyền năng lượng siêu cao tần công
suất 10W cho một thiết bị di động với phần phát công suất siêu cao tần sử dụng
linh kiện GaAs FET [53]. Đồng thời tác giả cũng truyền thông tin điều khiển
chùm tia dạng điều chế MSK với tỷ lệ lỗi bit BER=10-6.
1.2.

Khái quát hệ thống truyền năng lượng không dây

Truyền năng lượng không dây WPT là việc truyền một năng lượng lớn dùng
sóng điện từ từ nơi này đến nơi khác mà không sử dụng dây dẫn.Như đã biết
năng lượng điện từ luôn gắn liền với sự tồn tại và lan truyền của sóng. Chúng ta
có thể sử dụng tất cả các lý thuyết về sóng điện từ khi nghiên cứu về truyền năng
lượng không dây WPT. Sự khác nhau giữa WPT và các hệ thống truyền thông tin
chỉ ở hiệu suất. Hệ phương trình Maxwell chỉ ra rằng trường điện từ và năng
lượng của nó tồn tại theo tất cả các hướng. Mặc dù trong hệ thống truyền dẫn
thông tin chúng ta cũng truyền năng lượng nhưng theo tất cả các hướng. Năng

lượng bộ thu nhận được đủ cho việc truyền dẫn thông tin nhưng hiệu suất thì lại

7


rất thấp. Do đó, chúng ta không gọi các hệ thống đó là hệ thống truyền năng
lượng không dây WPT.
Truyền dẫn năng lượng không dây WPT là một trong những giải pháp đầy
triển vọng trong những trường hợp chúng ta cần truyền năng lượng tới những nơi
có địa hình hiểm trở, hải đảo hoặc truyền năng lượng từ vũ trụ về trái đất,v.v. Nếu
sóng điện từ được sử dụng có tần số nằm trong dải sóng siêu cao tần thì chúng ta
gọi đó là truyền năng lượng sử dụng sóng siêu cao tần MPT . Thông thường,
MPT là hệ thống truyền năng lượng điểm tới điểm. Với MPT chúng ta có thể tập
trung năng lượng cho bộ thu tốt hơn. Chúng ta có thể tập trung truyền năng lượng
siêu cao tần tới vùng thu nhận sử dụng lý thuyết về sự phân bố năng lượng dạng
hình nón của anten phát. Các loại phân bố phổ biến là Gauss, Taylor và
Chebychev. Những dạng hình nón này được sử dụng để triệt tiêu các búp sóng
phụ. Điều này làm tăng hiệu suất truyền năng lượng[42].
Sơ đồ khối của hệ thống truyền năng lượng sử dụng sóng siêu cao tần (MPT)
được cho ở hình 1.2[6,33,48,65]. Hệ thống bao gồm ba phần là khối phát (hình
1.2.a), khối thu năng lượng siêu cao tần (hình1.2.b) và không gian truyền sóng
siêu cao tần.
Theo đó khối phát thông thường bao gồm các thành phần: Nguồn điện một
chiều DC; Bộ tạo dao động sóng siêu cao tần; Các mạch khuếch đại đệm, khuếch
đại công suất và hệ thống anten phát. Nhiệm vụ của khối phát là thực hiện biến
đổi từ năng lượng điện một chiều DC thành năng lượng sóng siêu cao tần và
truyền năng lượng sóng siêu cao tần này qua không gian tự do đến khối thu.

(a) Khối phát
8

(b) Khối thu
Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống truyền năng lượng siêu cao tần.
Khối thu được gọi là Rectenna (Rectifying Antenna) bao gồm các thành phần:
Anten thu; Mạch phối hợp trở kháng; Bộ lọc thường là bộ lọc thông thấp LPF
(Low Pass Filter); Mạch chỉnh lưu siêu cao tần; Bộ lọc DC và tải tiêu thụ. Khối
thu có nhiệm vụ thu nhận năng lượng sóng siêu cao tần công suất lớn và thực
hiện biến đổi năng lượng này thành năng lượng điện một chiều DC cung cấp cho
tải tiêu thụ.
Việc sử dụng sóng siêu cao tần có nhiều ưu điểm vì ở tần số lớn kích thước
của các anten thu và phát sẽ nhỏ hơn cũng như suy hao trong truyền dẫn qua
không gian không đáng kể nếu lựa chọn tần số phù hợp. Khi truyền dẫn trong
không gian thì sóng siêu cao tần bị tổn hao do nhiều yếu tố như suy hao do môi
trường hấp thụ, do chùm tia bị phân bố, v.v. Đặc biệt năng lượng sóng siêu cao
tần nhận được tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách truyền. Tuy nhiên khi
truyền từ không gian về trái đất sóng chủ yếu bị hấp thụ ở bầu khí quyển trái đất.
Vì vậy việc lựa chọn tần số truyền để giảm suy hao hấp thụ là rất quan trọng. Các
nghiên cứu đều tập trung sử dụng tần số 2,45GHz [13,41,50,61,65,66] hoặc 5,8
GHz [24,27,32,53,63]. Đây là hai tần số nằm trong vùng có suy hao hấp thụ thấp,
nền nhiễu với các linh kiện siêu cao tần thấp và khi thử nghiệm cũng không bị
kiểm soát.
1.3.

Hệ thống vệ tinh thu năng lượng mặt trời SPS

Ứng dụng hợp lý và lớn nhất của MPT trong tương lai là sử dụng cho vệ tinh
thu nhận năng lượng mặt trời trong không gian SPS. SPS là một vệ tinh được
thiết kế như một trạm phát điện khổng lồ đặt trên quỹ đạo địa tĩnh GEO
9