(Luận án tiến sĩ) 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 CƠNG NGHỆ

ĐỒN 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 CƠNG NGHỆ

ĐỒN 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 cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác trừ
các cơng trình của tác giả.
Nếu có gì sai trái tơi xin hồn tồn 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 hồn thành được luận án này.
Tơi xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện trong q trình tơi
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 tơi 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.

Tơi 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


MỤC LỤC

Trang
Trang phụ bìa

i

Lời cam đoan

ii

Lời cảm ơn

iii

Mục lục

iv

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

vii

Danh mục các bảng

x

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

xi

MỞ ĐẦU

1

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

5

1.2.

Khái quát hệ thống truyền năng lượng không dây

7

1.3.

Hệ thống vệ tinh năng lượng mặt trời SPS

9

1.4.

Tổng hợp các nghiên cứu phần phát của MPT ứng dụng cho SPS

13

5

1.4.1. Bộ khuếch đại sử dụng bán dẫn

14

1.4.2. Anten phát

16

1.4.3. Những vấn đề về bộ phát và đề xuất giải pháp, mục tiêu cho SPS

17
19
20
21
22
22
24
26

1.5. Tổng hợp các nghiên cứu về Rectenna

1.5.1. Rectenna
1.5.1.1.
Các nghiên cứu về Rectenna có mạch chỉnh lưu nối tiếp
1.5.1.2.
Các nghiên cứu về Rectenna có mạch chỉnh lưu song song
1.5.1.3.
Các nghiên cứu về Rectenna có mạch chỉnh lưu nhân áp
1.5.2. Mảng Rectenna
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

27
30


ĐẠI CƠNG SUẤT PHỤC VỤ CHO PHẦN PHÁT NĂNG LƯỢNG
SĨNG SIÊU CAO TẦN
2.1. Cấu trúc chung của mạch khuếch đại

30

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

34

2.3.1. Thiết kế chế tạo mạch

42

2.3.2. Kết quả thực nghiệm

44

2.4. Mạch khuếch đại công suất dùng AH201

44

2.4.1. Thiết kế và mô phỏng

44

2.4.2. Chế tạo và kết quả thực nghiệm

46

2.5. Mạch khuếch đại công suất dùng PTFA240451E

49

2.5.1. Thiết kế và mô phỏng

49

2.5.1.1. Đề xuất phương pháp thiết kế

49

2.5.1.2. Mạch phối hợp trở kháng lối vào

50

2.5.1.3. Mạch phối hợp trở kháng lối ra

53

2.5.2. Chế tạo và kết quả thực nghiệm

56

2.5.2.1. Chế tạo mạch khuếch đại

56

2.5.2.2. Kết quả thực nghiệm

58

2.5.2.3. Thực nghiệm kiểm tra phát công suất thực tế của bộ khuếch đại

61

2.6. Tổ hợp công suất bằng mạch cầu Wilkinson

63

2.6.1. Nguyên lý chung

63

2.6.2. Mạch Wilkinson 4 đường

66

2.6.3. Mạch Wilkinson 8 đường

68

2.6.4. Tổ hợp công suất sử dụng các mạch cầu Wilkinson

72

Nhận xét và kết luận chương 2

74

Chương 3. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC
RECTENNA

76

3.1. Giới thiệu

76
v

42

3.2. Thiết kế Anten thu

84

3.2.1. Anten mạch dải đơn

85

3.2.1.1. Tính tốn kích thước miếng Patch

86

3.2.1.2. Đoạn phối hợp trở kháng /4và feedline 50Ω

88

3.2.1.3. Chế tạo và kết quả thực nghiệm

91

3.2.2. Anten mảng 1x4 chấn tử

92

3.2.2.1. Tính tốn kích thước các miếng Patch

94

3.2.2.2. Đoạn phối hợp trở kháng /4, 50Ω và 99Ω

94

3.2.2.3. Kết quả mô phỏng
3.2.2.4. Chế tạo và kết quả thực nghiệm

94
95

3.2.3. Anten mảng 2x4 chấn tử

96

3.3. Thiết kế và chế tạo các mạch chỉnh lưu siêu cao tần

101

3.3.1. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ kiểu nối tiếp

101

3.3.2. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ kiểu shunt

104

3.3.3. Mạch chỉnh lưu kiểu nhân đổi điện áp Villard

107

3.3.4. Mạch nhân áp phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây chêm đơn

110

3.5. Thử nghiệm hệ thống truyền năng lượng không dây

115

Nhận xét và kết luận chương 3

117

Kết luận và kiến nghị

119

Danh mục các công trình cơng bố của tác giả liên quan đến luận án

122

Tài liệu tham khảo

124

vi


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

Kí hiệu

Mơ 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

6.



Pha tín hiệu trong biểu diễn phức

7.



Hằng số điện mơi

8.



Tần số góc của tín hiệu

9.



Vận tốc sóng điện từ

10.



Hệ số phản xạ

11.

B

Điện dẫn song song

12.

c

Tốc độ ánh sáng

13.

C

Giá trị điện dung

14.

D

Khoảng cách

15.

f

Tần số của tín hiệu

16.

g

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

17.

G

Độ lợi hoặc hệ số khuếch đại

18.

h

Độ dày miếng phíp đồng chế tạo mạch

19.

i

Đơn vị phức

20.

I

Cường độ dòng điện của tín hiệu

vii


21.

l

Độ dài đường truyền

22.

L

Chiều cao miếng patch anten mạch dải

23.

P

Công suất của tín hiệu

24.

R

Giá trị điện trở

25.

S

Các tham số tán xạ

26.

T

Hệ số truyền qua

27.

V

Điện áp của tín hiệu

28.

W

Độ rộng miếng patch anten mạch dải

29.

X

Điện dẫn nối tiếp

30.

y

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

31.

Z

Trở kháng

Danh mục các chữ viết tắt
STT

Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Diễn giải nội dung

1.

AIA

Active Integrated Antenna

Anten tích hợp tích cực

2.

AC

Alternating Current

Dịng điện xoay chiều

3.

DC

Direct Current

Dịng điện một chiều

4.

DOE

U.S. Department Of Energy

Bộ năng lượng Mỹ

5.

GEO

Geostationary Earth Orbit

Quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh

6.

FET

Field Effect Transistor

Transistor hiệu ứng trường

7.

ISM

Industry,

Science,

Medical
8.

JAXA

nghiên cứu và y tế

Japan Aerospace Exploration Cơ quan thám hiểm không

Agency

9.

LEO

and Băng tần cho công nghiệp,

gian Nhật Bản

Low Earth Orbit

Quỹ đạo vệ tinh thấp
viii


10.

LPF

11.

MESFET

Low Pass Filter

Bộ lọc thông thấp

Metal–Semiconductor Field- Transistor hiệu ứng trường
Effect Transistor

chuyển tiếp kim loại - bán
dẫn

12.

MINIX

Microwave

Ionoshere Thí nghiệm tương tác phi

Nonlineat

Interaction tuyến siêu cao tần tầng

eXperiment
13.

14.

MIT

MMIC

điện ly

Massachusetts Institute of Viện

MPT

Massachusetts

Monolithic

Microwave Mạch tích hợp tương tự
siêu cao tần

Microwave

Power Truyền năng lượng sử

Transmission
16.

MW

17.

NASA

dụng sóng siêu cao tần

Microwave
National

Sóng siêu cao tần

Aeronautics

and Cơ quan thám hiểm vũ trụ

Space Administration,
18.

PA

19.

RECTENNA

nghệ

Technology

Integrated Circuit
15.

Công

Mỹ

Power Amplifier

Khuếch đại công suất

Rectifying Antenna

Anten chỉnh lưu siêu cao
tần

20.

RF

21.

RFID

22.

SPS

Radio Frequency

Sóng vơ tuyến radio

Radio Frequency Identifier

Nhận dạng không dây

Solar Power Satellite

Vệ tinh thu năng lượng
mặt trời

23.

VCO

VoltageControlled Oscillator

Bộ dao động điều khiển
bằng điện áp

24.

TWT

25.

TWTA

Travelling Wave Tube
Traveling

Wave

ix

Ống dẫn sóng chạy
Tube Bộ khuếch đại sóng chạy


Amplifier
26.

WPD

Wilkinson

Power Bộ chia/cộng kiểu cầu

Divider/Combiner
27.

WPT

Wilkinson

Wireless

Power Truyền năng lượng không

Transmission

dây

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số hiệu

Nội dung bảng biểu

Trang

1.1

Các thông số của anten dùng cho SPS

11

1.2

So sánh các thông số bộ khuếch đại bán dẫn và ống điện tử

14

1.3

Các đặc tính của bộ khuếch đại bán dẫn dùng trong không

18

gian
1.4

Hiệu suất biến đổi cực đại của Rectenna các loại

19

1.5

Hiệu suất của Rectenna theo các loại diode khác nhau

20

2.1

So sánh các thông số mô phỏng và thực nghiệm mạch

48

khuếch đại AH201
2.2

Các thông số trở kháng theo tần số của PTFA240451E

50

3.1

Các thông số thiết kế anten mạch dải một chấn tử

85

3.2

Các thơng số kích thước của anten mạch dải đơn

88

3.3

Thơng số kích thước của anten 1x4 được thiết kế

94

3.4

Thông số thiết kế anten mảng 2x4

98

3.5

Kích thước anten 2x4

98

3.6

Điện áp lối ra (V) theo các mức công suất trên các trở khác

103

tải khác nhau mạch kiểu nối tiếp
3.7

Điện áp lối ra (V) theo các mức công suất trên các trở tải

x

106


khác nhau mạch kiểu shunt
3.8

Điện áp lối ra (V) theo các mức công suất trên các trở tải

109

khác nhau mạch tách sóng nhân áp Villard
3.9

Điện áp lối ra (V) theo các mức công suất trên các trở tải

113

khác nhau mạch tách sóng nhân áp kiểu phối hợp trở kháng
đoạn dây chêm đơn
3.10

Bảng so sánh hiệu suất của các mạch chỉnh lưu

114

3.11

Điện áp, công suất ra trên tải và hệ số ghép cơng suất

117

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hiệu

Nội dung hình vẽ

Trang

1.1

Tháp Wardenclyffe do Nikola Tesla xây dựng

5

1.2

Sơ khối hệ thống truyền năng lượng siêu cao tần

9

1.3

Mơ hình hệ thống vệ tinh SPS

10

1.4

Sự phụ thuộc công suất RF vào tần số của các thiết bị
khác nhau

13

2.1

Sơ đồ mạch khuếch đại siêu cao tần

30

2.2

Sơ đồ khối mạch khuếch đại dùng Transistor có phối hợp
trở kháng

32

2.3

Bộ biến đổi đơn

35

2.4

Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp trở kháng dải rộng, thay
đổi nhiều thang trở kháng đặc trưng

36

2.5
2.6

Đồ thị của các đa thức Chebyshev với n=1
Sơ đồ nguyên lý và mạch in mạch dao động dùng
SPF3043

39
43

2.7

Mạch dao động được chế tạo

43

2.8

Kết quả đo thực nghiệm của mạch dao động 2,45 GHz

44

xi


2.9

Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất dùng
AH201

45

2.10

Kết quả mô phỏng tham số S mạch khuếch đại dùng

46

AH201

2.11

Sơ đồ mạch in và sản phẩm mạch khuếch đại AH201

46

2.12

Các tham số S của mạch khuếch đại AH201

48

2.13

Sơ đồ khối mạch khuếch đại công suất siêu cao tần 45W
dùng PTFA240451E

49

2.14

Di chuyển vị trí giá trị trở kháng tới giá trị thực bằng
đoạn dây chêm

51

2.15

Mạch phối hợp trở kháng lối vào

53

2.16

Các tham số mô phỏng của mạch phối hợp lối vào

53

2.17

Di chuyển vị trí trở kháng trên giản đồ Smith

54

2.18

Sơ đồ nguyên lý mạch phối hợp trở kháng lối ra mạch
khuếch đại

55

2.19

Kết quả mô phỏng các tham số mạch phối hợp trở kháng
lối ra

56

2.20

Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất dùng
PTFA240451E

57

2.21

Sơ đồ mạch
PTFA240451E

suất

58

2.22

Sản phẩm chế tạo mạch khuếch đại công suất
PTFA240451E

58

2.23

Giá trị S21 của
PTFA240451E

suất

59

2.24

Hệ số phản xạ lối vào S11 của mạch khuếch đại công suất
PTFA240451E

60

2.25

Hệ số phản xạ lối ra S22 của mạch khuếch đại công suất
PTFA240451E

60

in

mạch

khuếch

mạch

khuếch

xii

đại

đại

công

công


2.26

Hệ số S12 của mạch khuếch đại công suất PTFA240451E

61

2.27

Mô hình kiểm tra cơng suất phát mạch khuếch đại được
thiết kế

61

2.28

Kết quả đo trên máy phân tích phổ

62

2.29
2.30

Sơ đồ đo cơng suất 45W
Mơ hình tổ hợp cơng suất cho hệ thống MPT

63
64

2.31

Mạch cầu Wilkinson dạng mạch dải và sơ đồ tương

65

đương
2.32

Mạch cầu N đường

66

2.33

Sơ đồ nguyên lý mạch cầu Wilkinson 4 đường

67

2.34

Kết quả mô phỏng mạch cầu Wilkinson 4 đường

67

2.35

Sơ đồ mạch in và mạch thực tế

68

2.36

Hệ số suy hao cổng 1 của mạch cầu Wilkinson 4 đường

69

2.37

Hệ số phản xạ cổng 1 của mạch cầu Wilkinson 4 đường

69

2.38

Sơ đồ nguyên lý mạch cầu Wilkinson 8 đường

70

2.39

Kết quả mô phỏng mạch cầu Wilkinson 8 đường

71

2.40

Sơ đồ mạch in và sản phẩm thực tế mạch cầu Wilkinson
8 đường

71

2.41

Hệ số suy hao S21 của mạch cầu Wilkinson 8 đường

72

2.42

Hệ số S11 của mạch cầu Wilkinson 8 đường

72

2.43

Mơ hình tổ hợp cơng suất dùng WPD 4 đường

73

2.44

Mơ hình tổ hợp cơng suất dùng WPD 8 đường

74

3.1

Sơ đồ khối của một Rectenna

76

3.2

Đặc tuyến V-A và các dạng sóng điện áp trên diode

78

3.3

Sơ đồ tương đương của mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ

79

3.4

Cấu trúc một số mạch chỉnh lưu

84

3.5
3.6

Antenna với một đoạn /4
Giao diện công cụ LineCalc của phần mềm ADS

85

89

xiii


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 phỏng của anten 1 miếng patch
Sơ đồ Layout và sản phẩm thực tế anten một chấn tử
Hệ số phản xạ đo được từ máy phân tích mạng
Kiểu tiếp điện nối tiếp cho anten mảng mạch dải
Cấu trúc tiếp điện cho anten kiểu song song
Giá trị trở kháng các đoạn mạch dải
Kết quả mô phỏng anten 1x4 chấn tử
Sơ đồ mạch in và sản phẩm thực tế anten mảng 1x4 phần
tử
Kết quả đo thông số S11 trên máy phân tích mạng

Sơ đồ mạch in và sản phẩm thực tế anten 2x4
Kết quả mô phỏng của anten 2x4 chấn tử
Tham số S11 của anten 2x4
Mạch chỉnh lưu nối tiếp dùng HSMS2820

90
91
91
92
93
93
95
96
96
99
100
100
102

Kết quả mô phỏng hiệu suất chuyển đổi RF-DC
của mạch chỉnh lưu nối tiếp
Sơ đồ mạch in và sản phẩm mạch chỉnh lưu nối tiếp

102

3.22

Giá trị hiệu suất chuyển đổi RF-DC theo công suất vào
với một số trở tải

104

3.23

Sơ đồ mạch chỉnh lưu song song

104

3.24

Kết quả mô phỏng hiệu suất chuyển đổi RF-DC
của mạch chỉnh lưu kiểu shunt
Sơ đồ mạch in và sản phẩm mạch tách sóng kiểu shunt

105

3.26

Giá trị hiệu suất chuyển đổi RF-DC theo công suất vào
với một số giá trị trở tải

107

3.27
3.28

Sơ đồ nguyên lý mạch nhân áp Villard
Kết quả mô phỏng hiệu suất chuyển đổi RF-DC
của mạch chỉnh lưu nhân áp kiểu Villard
Sơ đồ mạch in và sản phẩm mạch tách sóng kiểu nhân áp

108
108

3.21

3.25

3.29

103

106

108

Villar
3.30

Hiệu suất chuyển đổi RF-DC theo công suất vào của trở
tải

xiv

109


3.31

Mơ hình mạch mơ phỏng tính trở kháng vào của mạch

nhân áp

110

3.32

Kết quả mô phỏng S11 và S22

111

3.33

Mạch nhân áp phối hợp trở kháng đoạn dây chêm đơn hở
mạch

111

3.34

112

3.35

Kết quả mô phỏng hiệu suất chuyển đổi RF-DC
của mạch chỉnh lưu nhân áp
Layout và mạch thực tế

3.36

Hiệu suất theo công suất vào của các trở tải thực tế

113

3.37

Mơ hình hệ thống truyền năng lượng khơng dây thử
nghiệm

116

3.38

Mơ hình hệ thống thực tế

117

xv

112


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 cơng 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 mơ
hình truyền năng lượng khơng 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 mơ hình thực tế truyền năng
lượng khơng 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 cơng 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 khơng 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 khơng 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 cơng suất có suy hao nhỏ.
- Các thành phần ở phía thu của hệ thống truyền năng lượng khơng 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, mơ 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. Cơng 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 cơng mơ 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 khơng 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 cơng 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 khơng 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

Hình 1.1 Tháp Wardenclyffe do
Nikola Tesla xây dựng.

ứng dụng quan trọng nhất của MPT là sử
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 khơng dây. Ơng 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 khơng 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 mơ tơ 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 ơng đã trình diễn mơ 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 khơng 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 khơng 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 khơng 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 hồn tồn khơng
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 thơng
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 khơng gọi các hệ thống đó là hệ thống truyền năng
lượng khơng 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 khơng 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 cơng 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
khơng bị kiểm sốt.
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