Đồ án tốt nghiệp: THU THẬP NĂNG LƯỢNG QUA SÓNG VÔ TUYẾN CHO CÁC THIẾT BỊ CẢM BIẾN KHÔNG DÂY NĂNG LƯỢNG THẤP

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG I - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: THU THẬP NĂNG LƯỢNG QUA SĨNG VƠ TUYẾN CHO CÁC THIẾT BỊ CẢM BIẾN KHƠNG DÂY NĂNG LƯỢNG THẤP Giảng viên hướng dẫn : TS DƯƠNG THỊ THANH TÚ Sinh viên thực : CAO XUÂN SƠN Lớp : D17CQVT08-B Khóa : 2017-2022 Hệ : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Hà Nội, tháng 12 năm 2021 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ, CHO ĐIỂM (Của giảng viên hướng dẫn) Sinh viên Cao Xuân Sơn đã hoàn thành đồ án “Thu thập lượng qua sóng vô tuyến cho các thiết bị cảm biến không dây lượng thâp” đúng thời hạn yêu cầu Nội dung đồ án đã đáp ứng đúng yêu cầu đặt theo đề cương đã được phê duyệt, bao gồm ba chương − Chương 1: Giới thiệu tổng quan về các phương thức thu thập lượng hiện có cũng tìm hiểu, khảo sát nguồn lượng vô tuyến có môi trường để từ đó đưa được thách thức, khó khăn và thuận lợi việc tái tạo lượng từ nguồn lượng vô tuyến hiện có không gian − Chương 2: Nghiên cứu cấu trúc bản mạch tái tạo lượng RF (rectenna) với việc sâu vào hai thành phần chính mạch: anten và mạch chỉnh lưu Bên cạnh đó, chương cũng khảo sát về một số nút cảm biến không dây có thị trường hiện có thể có khả sử dụng lượng từ nguồn lượng tái chế RF − Chương 3: Đề xuất mạch rectenna thu lượng băng tần 2.4 GHz cho thiết bị cảm biến không dây lượng thấp Kết quả đề xuất được đánh giá dựa công cụ mô CST ADS Cung cấp lượng “sạch” cho các thiết bị cảm biến không dây lượng thấp kỷ nguyên IoT/IIoT hiện là đề tài thu hút được nhiều sự quan tâm, nghiên cứu và ngoài nước Đồ án tốt nghiệp “Thu thập lượng qua sóng vô tuyến cho các thiết bị cảm biến không dây lượng thấp” với đề xuất cấu trúc anten mới, băng thông rộng, bao phủ dải tần quan trọng (2GHz-3.4GHz) truyền thông tiên tiến hiện 802.11, 4G-LTE, 5G,… kết hợp với cấu trúc mạch chỉnh lưu cho phép tái tạo lượng với hiệu suất lên đến 70% có nghĩa thực tiễn cao Bên cạnh đó, với bố cục logic, nội dung trình bày cẩn thận, rõ ràng, đồ án có thể làm một tài liệu tham khảo tốt cho sinh viên ngành Điện tử – Truyền thông kỹ thuật này Trong thời gian thực hiện đồ án, sinh viên Cao Xuân Sơn đã thể hiện tinh thần cầu thị, cầu tiến bộ Sinh viên có thái độ làm việc nghiêm túc, chịu khó tìm kiếm, nghiên cứu tài liệu, tối ưu thiết kế, cũng phân tích và đánh giá số liệu các công cụ mô CST, ADS Điểm: 10 (bằng chữ: Mười điểm) Đồng ý cho sinh viên bảo vệ trước hội đồng chấm đồ án tốt nghiệp Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2021 Giảng viên hướng dẫn TS Dương Thị Thanh Tú NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ, CHO ĐIỂM (Của giảng viên phản biện) ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Điểm: (bằng chữ:…………………………………………………….… ) Hà Nội, ngày… tháng… năm … Giảng viên phản biện Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn em, TS Dương Thị Thanh Tú, người đã định hướng nghiên cứu, hướng dẫn khoa học, ln tận tình hỗ trợ, bảo em về mọi mặt để em hoàn thành đờ án Qua đây, em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo Khoa Viễn Thông I, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã quan tâm, giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm quý báu trang bị cho em kiến thức bở ích śt qng thời gian học tập nghiên cứu giảng đường đại học Ći em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến mọi thành viên gia đình đã hỗ trợ hi sinh nhiều cho em thời gian vừa qua Đây chính là nguồn động lực vô to lớn đã giúp em vượt qua khó khăn, thách thức để hồn thành đờ án Hà Nội, ngày 11 tháng 12 năm 2020 Sinh viên thực Cao Xuân Sơn Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B i Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC HÌNH VẼ .v DANH MỤC BẢNG BIỂU vii LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THU THẬP NĂNG LƯỢNG QUA SÓNG VÔ TUYẾN 1.1 Giới thiệu phương thức thu thập lượng 1.1.1 Thu thập lượng dao động học 1.1.2 Thu thập lượng từ ánh sáng 1.1.3 Thu thập lượng từ nhiệt 1.1.4 Thu thập lượng vô tuyến 1.2 Truyền lượng qua sóng vơ tuyến lịch sử thu thập lượng vô tuyến 1.2.1 Truyền lượng không dây 1.2.2 Các mốc lịch sử thu thập lượng vô tuyến 1.3 Khảo sát nguồn lượng vô tuyến khả thi cho việc thu thập lượng 10 1.3.1 Nguồn lượng từ WiFi .11 1.3.2 Nguồn từ trạm di động/GSM 13 1.3.3 Nguồn từ TV DTV .15 1.4 Thách thức tính khả thi chuyển đổi lượng từ sóng vơ tuyến 16 1.5 Kết luận chương 16 CHƯƠNG 2: MẠCH THU NĂNG LƯỢNG QUA SĨNG VƠ TUYẾN (RECTENNA) CHO CÁC THIẾT BỊ CẢM BIẾN KHÔNG DÂY NĂNG LƯỢNG THẤP 17 2.1 Lịch sử đời phát triển Rectenna 17 2.2 Cấu trúc rectenna .19 2.3 Cơ sở lý thuyết anten 20 2.3.1 Giới thiệu về anten 20 2.3.2 Phương trình truyền sóng 21 Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B ii Đồ án tốt nghiệp 2.3.3 Một số loại anten hiện 22 2.3.4 Một số tham số bản anten 25 2.4 Cơ sở lý thuyết khối mạch chỉnh lưu mạch thu lượng 28 2.4.1 Mạch chỉnh lưu AC-DC 29 2.4.2 Mạch lọc DC .32 2.4.3 Mạch phối hợp trở kháng 33 2.5 Ứng dụng mạch thu lượng qua sóng vô tuyến 33 2.5.1 Trong hệ thống y tế và chăm sóc sức khỏe .33 2.5.2 Trong hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến RFID .34 2.5.3 Trong mạng cảm biến không dây 35 2.6 Các nút cảm biến khơng dây có thị trường 36 2.7 Kết luận chương 38 CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT MẠCH RECTENNA THU NĂNG LƯỢNG Ở BĂNG TẦN 2.4 GHZ CHO THIẾT BỊ CẢM BIẾN NĂNG LƯỢNG THẤP 39 3.1 Thiết kế anten thu cho mạch chỉnh lưu .39 3.1.1 3.1.1.1 Lựa chọn loại anten 39 3.1.1.2 Lựa chọn công cụ .40 3.1.2 3.2 Lựa chọn loại anten công cụ mô .39 Thiết kế anten 40 3.1.2.1 Cấu trúc anten .40 3.1.2.2 Tính toán kích thước anten 42 3.1.2.3 Mơ phân tích kết quả 44 Thiết kế mạch chỉnh lưu hoạt động băng tần 2.4 GHz 45 3.2.1 Lựa chọn diode 45 3.2.2 Thiết kế mạng phối hợp trở kháng 49 3.2.3 Ảnh hưởng số tầng mạch chỉnh lưu tới điện áp đầu .51 3.2.4 Tối ưu giá trị hiệu suất mạch theo giá trị tải .52 3.2.5 Kết quả mô .53 3.3 Kết luận chương 56 KẾT LUẬN ĐỒ ÁN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B iii Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Mô tả tiếng Anh Mô tả tiếng Viết 3G Third-generation Thế hệ thứ 4G Fourth-generation Thế hệ thứ DTV Digital television Truyền hình kỹ thuật số GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống thông tin di đợng tồn cầu IoT Internet of Things Internet vạn vật RF Radio frequency Tần số vô tuyến RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng qua sóng vơ tún TENS Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation Máy kích thích thần kinh xung điện qua da UMTS Universal Mobile Telecommunication System Hệ thớng viễn thơng di đợng tồn cầu WLAN Wireless Local Area Networking Mạng cục bộ không dây WPT Wireless Power Transmitter Truyền lượng không dây WSN Wireless Sensor Network Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B Mạng cảm biến không dây iv Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các ng̀n lượng có sẵn mơi trường mật đợ cơng suất chúng Hình 1.2 Sơ đồ bản các phương pháp chuyển đổi dao động thành lượng điện a) Sử dụng vật liệu áp điện, b) Sử dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ Hình 1.3 Hệ thống pin lượng mặt trời Hình 1.4 Sơ đờ chế hiệu ứng Seebeck mạch Hình 1.5 Các ng̀n sóng điện từ môi trường sống hiện Hình 1.6 Hình ảnh Nikola Tesla, Heinrich Hertz William.C.Brown Hình 1.7 Mật độ loại lượng RF được khảo sát tại London [4] 10 Hình 1.8 Mật độ công suất các router wifi thu được xung quanh khu chợ Phùng Khoang 13 Hình 2.1 Hệ thớng trùn lượng không dây Marshall Space Flight Center (1970) 17 Hình 2.2 Hệ thống truyền lượng không dây sử dụng ống magnetron tại Raytheon Lab (1975) 18 Hình 2.3 Hệ thớng trùn lượng khơng dây Venus Site JPL Goldstone Facility (1975) 18 Hình 2.4 Mơ hình trùn lượng không dây rectenna 19 Hình 2.5 Q trình trùn sóng anten 20 Hình 2.6 Mợt sớ hình dạng anten dây (a) dipole, (b) tròn, (c) xoắn 22 Hình 2.7 Anten vi dải được chế tạo (a) chữ nhật, (b) tròn 23 Hình 2.8 Anten khẩu đợ (a) nón, (b) tứ diện 23 Hình 2.9 Mợt dạng anten mảng vi dải được chế tạo thực tế 24 Hình 2.10 Mợt anten phản xạ sử dụng cho băng tần X 24 Hình 2.11 Trường gần và trường xa phân tích mợt anten 25 Hình 2.12 Cấu trúc mạch chỉnh lưu RF-DC 28 Hình 2.13 Dạng điện áp đầu vào và đầu mạch chỉnh lưu nửa sóng 29 Hình 2.14 Mạch chỉnh lưu nửa sóng RF 29 Hình 2.15 Mạch chỉnh lưu toàn sóng 30 Hình 2.16 Mạch nhân điện áp nửa sóng 31 Hình 2.17 Mạch nhân điện áp tồn sóng 31 Hình 2.18 Mạch chỉnh lưu nhân áp N tầng 32 Hình 2.19 Mợt sớ cấu trúc mạch lọc vi dải bản 32 Hình 2.20 Máy kích thích thần kinh xung điện qua da 34 Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B v Đồ án tốt nghiệp Hình 2.21 Cấu trúc hệ thống RFID 34 Hình 2.22 Các loại thẻ RFID hiện 35 Hình 2.23 Nút cảm biến EZ4300-RF2500 37 Hình 2.24 Nút cảm biến Crossbow MICAz 37 Hình 3.1 Cấu trúc mợt anten vi dải hình chữ nhật bản 39 Hình 3.2 Anten vi dải được tích hợp mạch điện tử 39 Hình 3.3 Giao diện làm việc phần mềm CST MICROWAVE STUDIO 40 Hình 3.4 Cấu trúc anten đề xuất 41 Hình 3.5 Đường truyền vi dải bản 42 Hình 3.6 Tới ưu từ anten mặt bức xạ chữ nhật sang hình elip bán ngụt 44 Hình 3.7 Tới ưu tham số S11 anten 44 Hình 3.8 Kết quả mơ tham số S11 44 Hình 3.9 Đồ thị bức xạ 2D anten tại tần số cộng hưởng 45 Hình 3.10 Đồ thị bức xạ 3D anten 45 Hình 3.11 Cấu trúc diode Schottky 46 Hình 3.12 Mạch tương đương diode Schottky 47 Hình 3.13 Schottky diode HSMS-2850 thị trường 49 Hình 3.14 Sơ đồ mô xác định trở kháng đầu vào diode 49 Hình 3.15 Kết quả S11 trở kháng đầu vào mạch chỉnh lưu diode 50 Hình 3.16 a) Đồ thị Smith chart sử dụng b) Mạng phối hợp trở kháng được thiết kế 51 Hình 3.17 Kết quả S11 trở kháng đầu vào sau có mạng phới hợp trở kháng 51 Hình 3.18 Điện áp đầu mạch chỉnh lưu sử dụng số tầng khác 52 Hình 3.19 Giá trị hiệu suất mạch thay đổi giá trị tải 52 Hình 3.20 Sơ đồ mạch chỉnh lưu tầng sử dụng diode HSMS-2850 53 Hình 3.21 Kết quả mơ S11 mạch đề xuất 53 Hình 3.22 Trở kháng đầu vào mạch thiết kế 54 Hình 3.23 Giá trị điện áp DC đầu 54 Hình 3.24 Giá trị hiệu suất mạch 55 Hình 3.25 Giá trị điện áp đàu vào và đầu công suất tới dBm 55 Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B vi Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna băng tần 2.4 GHz Như đã nêu một mạch chỉnh lưu hoạt động dựa sự kết họp một hoặc nhiều diode chỉnh lưu Các diode chỉnh lưu này cho dịng điện chạy qua theo mợt chiều định điện áp hoạt ddoognj lớn ngưỡng điện áp thuận diode Ở tần số thấp, diode bán dẫn dễ dàng chuyển chiều phân cực với tần số cao, thời gian hồi phục diode khơng đủ nhanh để khóa diode lại Ngồi điện áp rơi phân cực diode bán dẫn thường vào khoảng 0.6 − 0.7𝑉 Với mật độ công suất sóng điện từ môi trường thường thấp nên điện áp phân cực lớn Nó làm giảm hiệu suất chuyển đởi mạch Do đó các diode bán dẫn sử dụng mạch chỉnh lưu AC-DC Hình 3.11 Cấu trúc diode Schottky Trong mạch chỉnh lưu AC-DC thường sử dụng diode Schottky để làm diode chỉnh lưu nó có thể đáp ứng đầy đủ tiêu chí có tần số cắt nhanh đồng thời điện áp rơi phân cực đủ nhỏ để đảm bảo tối ưu hóa hiệu suất chuyển mạch Diode Schottky loại diode khơng có tiếp giáp p-n mà tiếp giáp kim loại-bán dẫn Bề mặt tiếp xúc kim loại bán dẫn được gọi tiếp xúc Schottky xuất hiện rào cản thế gọi là hàng rịa Schottky, tác đợng tiếp giáp p-n Các vật liệu chọn lọc được pha tạp để bề mặt chất bán dẫn xuất hiện vùng làm nghèo phần kim loại thể hiện tiếp xúc ohmic Do các đặc điểm nên diode Schottky một loại diode bán dẫn với một điện áp rơi phân cực thuận thấp ngắt nhanh Điện áp rơi thuận diode Schottky từ khoảng 0.15 − 0.45 𝑉 Với điện áp rơi thấp thế nên tốc độ chuyển mạch tăng lên Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 46 Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna băng tần 2.4 GHz tổn hao rơi diode giảm xuống Một mô hình tương đương diode Schottky được thể hiện đây: Hình 3.12 Mạch tương đương diode Schottky Mơ hình mạch tương đương diode Schottky bao gồm một điện trở nối tiếp Rs, điện trở tiếp giáp biến thiên Rj, tụ điện tiếp giáp biến thiên Cj, thành phần ký sinh từ việc đóng vỏ diode Cp Lp Tụ điện tiếp giáp Cj ảnh hưởng đến thời gian chuyển mạch diode, với giá trị Cj nhỏ tớc đợ chuyển mạch càng nhanh Do đó đặc tính diode phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố Rj Cj Dòng chảy qua diode được tính sau: 𝑞.𝑣𝑑 𝐼𝑑 = 𝐼𝑠 (𝑒 𝑁.𝑘.𝑇 − 1) (3.10) Dòng 𝐼𝑑 qua điện trở tiếp giáp Rj và điện áp 𝑉𝑑 hai đầu 𝐼𝑑 tỉ lệ với dịng bão hịa 𝐼𝑠 Thơng sớ ảnh hưởng tơi đợ rộng hàng rào Schottky Một hàng rào Schottky hẹp có điện áp phân cực tḥn nhỏ và dịng rị ngược lớn Ngược lại nếu một hàng rào Schottky rộng có điện áp phân cực thuận lớn, dòng rò ngược nhỏ Hai thông số đặc trưng quan trọng diode là điện áp ngưỡng và điện áp đánh thủng Các thông số giới hạn hiệu suất chuyển đổi múc lượng đầu vào thấp thông qua điện áp ngưỡng 𝑉𝑇 Trừ lượng tới đủ vượt qua được hàng rào điện áp đioe nếu khơng mạch gần chuyển đổi được Điện áp đánh thủng diode 𝑉𝑏𝑟 cũng làm giới hạn hiệu suất với mức lượng đầu vòa lớn Đường cong “𝑉𝑏𝑟 effect” mô tả sự ảnh hưởng điện áp ngưỡng đến hiệu suất mạch chuyển đổi Điện trở thiết bị cũng là một nguyên nhân làm giảm hiệu suất chuyển đổi một cách đáng kể Điện trở lớp tiếp giáp Rs diode giới hạn hiệu suất dòng chảy qua diode bị tiêu tán mặt tiếp giáp bán dẫn Ở tần số cao, Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 47 Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna băng tần 2.4 GHz điện dung lớp tiếp giáp Cj và điện cảm thông số đóng vỏ cũng dẫn đến sự sụt giảm đáng kể vấn đề đóng cắt Từ phân tích ta thấy nếu cơng suất vào thấp Cj, Vj Rs nhỏ tốt Bv ảnh hưởng công suất đầu vào lớn Do đó với đặc điểm công suất đầu vào thấp mạch rectenna cần thiết kế việc lựa chọn diode cần phải cân thông sớ Cj, Vj Rs Hiện nay, dịng diode được sử dụng phổ biến để thiết kế mạch chỉnh lưu là dòng diode HSMS-28XX Dưới là bảng so sánh tham sớ mợt sớ loại diode dịng HSMS-28XX Bảng 3.2 Một số loại diode dòng HSMS-28XX Tham số HSMS-2850 HSMS-2860 HSMS-2820 𝑹𝒔 (𝛀) 25 𝑽𝒋 (𝑽) 0.35 0.65 0.65 𝑩𝒗 (𝑽) 3.8 15 𝑪𝒋 (𝒑𝑭) 0.18 0.18 0.7 Từ các đặc điểm nêu trên, em chọn sử dụng diode HSMS-2850 cho thiết kế vì là dịng diode có đợ nhạy cao 35 𝑚𝑉/𝜇𝑊 tại tần số 2.45 GHz, điện áp rơi diode 𝑉𝑑𝑚𝑎𝑥 = 150 − 250 𝑚𝑉 Ngoài dòng diode này cũng được hỗ trợ phần mềm Keysight Advanced Design System (ADS) – một hệ thống phần mềm tự đợng hóa thiết kế điện tử, hỗ trợ mơ thiết kế mạch Đây cũng là phần mềm em sử dụng để mô kết quả mạch chỉnh lưu Bảng 3.3 Tham số chi tiết diode HSMS-2850 từ nhà sản xuất [26] Parameter Units HSMS-285x BV 𝑉 3.8 Cj0 𝑝𝐹 0.18 EG 𝑒𝑉 0.69 IBV 𝐴 3E-4 IS 𝐴 3E-6 1.06 N RS Ω 25 PB (Vj ) 𝑉 0.35 PT (XTI) M 0.5 Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 48 Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna băng tần 2.4 GHz Hình 3.13 Schottky diode HSMS-2850 thị trường 3.2.2 Thiết kế mạng phối hợp trở kháng Để có sự phới hợp trở kháng tốt anten thu mạch chỉnh lưu ta cần có mạch phới hợp trở kháng Với trở kháng đầu anten thiết kế 50 Ω, để thiết kế mạch phối hợp trở kháng đầu tiên ta cần xác định trở kháng đầu vào mạch chỉnh lưu tại tần số 2.45 GHz Để xác định trở kháng đầu vào mạch chỉnh lưu ta có thể dựa phương pháp mô phần mềm ADS Dưới là trở kháng đầu vào mạch diode chỉnh lưu và sơ đờ mơ Có thể thấy trở kháng đầu vào mạch chỉnh lưu đơn trước thêm mạch phối hợp trở kháng 𝑍 = 13 − 𝑗185.65 Hình 3.14 Sơ đồ mơ xác định trở kháng đầu vào diode Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 49 Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna băng tần 2.4 GHz Hình 3.15 Kết S11 trở kháng đầu vào mạch chỉnh lưu diode Sau xác định được trở kháng đầu vào mạch chỉnh lưu diode, chúng ta có thể sử dụng phương pháp đờ thị Smith chart để tính tốn mạng phới hợp trở kháng Để dễ dàng thiết kế mạch phối hợp trở kháng em sử dụng công cụ Smith V4.1 để thiết kế a) Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 50 Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna băng tần 2.4 GHz b) Hình 3.16 a) Đồ thị Smith chart sử dụng b) Mạng phối hợp trở kháng thiết kế Và là kết quả mô mạch chỉnh lưu đơn sau được ghép mạng phới hợp trở kháng Hình 3.17 Kết S11 trở kháng đầu vào sau có mạng phối hợp trở kháng Có thể thấy mạch chỉnh lưu đã cộng hưởng tại tần số 2.45 GHz trở kháng đầu vào lúc 𝑍 ≈ 50 Ω 3.2.3 Ảnh hưởng số tầng mạch chỉnh lưu tới điện áp đầu Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 51 Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna băng tần 2.4 GHz Điện áp đầu mạch chỉnh lưu phụ thuộc lớn vào số tầng sử dụng mạch được thiết kế Khi sử dụng nhiều tầng mạch thì giá điện áp đầu lớn so so với điện áp đầu vào Hình 3.18 Điện áp đầu mạch chỉnh lưu sử dụng số tầng khác Qua hình 3.18 ta thấy rõ việc tăng số tầng mạch chỉnh lưu dẫn tới tăng điện áp đầu DC đầu Tuy nhiên tăng càng nhiều tầng sớ lượng diode sử dụng mạch nhiều Điều đó dẫn tới sự phức tạp thiết kế, chế tạo mạch đồng thời nó cũng làm tăng kích thước mạch lên Với yêu cầu mạch nhỏ gọn, dễ dàng chế tạo mạch chỉnh lưu tầng được em lựa chọn sử dụng để thiết kế 3.2.4 Tối ưu giá trị hiệu suất mạch theo giá trị tải Hình 3.19 Giá trị hiệu suất mạch thay đổi giá trị tải Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 52 Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna băng tần 2.4 GHz Hiệu suất chuyển đổi mạch cũng bị ảnh hưởng giá trị tải sử dụng Hình 3.19 sự thay đởi giá trị hiệu suất theo giá trị tải Từ hình trên, ta thấy với 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 = 5000 Ω cho mạch đạt hiệu suất chuyển đổi cao 3.2.5 Kết quả mơ Hình 3.20 Sơ đồ mạch chỉnh lưu tầng sử dụng diode HSMS-2850 Từ phân tích trên, mạch chỉnh lưu đề tài được em lựa chọn thiết kế mạch chỉnh lưu nhân áp tầng sử dụng diode HSMS-2850 Với đặc tính điện áp ngược chịu đựng lớn 15 V cho phép ta thiết kế thử nghiệm với công suất đầu vào lớn Bên cạnh đó cũng là dòng diode có điện áp rơi khá nhỏ tụ ký sinh thấp phù hợp cho việc chế tạo mạch nhỏ gọn Hình 3.21 Kết mơ S11 mạch đề xuất Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 53 Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna băng tần 2.4 GHz Hình 3.22 Trở kháng đầu vào mạch thiết kế Hình 3.23 Giá trị điện áp DC đầu Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 54 Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna băng tần 2.4 GHz Hình 3.24 Giá trị hiệu suất mạch Có thể thấy mạch chỉnh lưu được thiết kế hoạt động tại dải tần sớ 2.45 GHz có trở kháng đầu vào xấp xỉ 50 Ω từ đó dễ dàng tích hợp với anten thu được thiết kế Ngoài mạch cũng đạt hiệu suất chuyển đổi cao với giá trị 70.438% Hình 3.25 Giá trị điện áp đàu vào đầu công suất tới dBm Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 55 Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna băng tần 2.4 GHz Như vậy mạch chỉnh lưu được thiết kế cho điện áp đầu đáp ứng thiết bị cảm biến công suất thấp 3.3 Kết luận chương Chương này đã trình bày tổng quan lý thuyết anten mạch chỉnh lưu các phần tử nó Ngoài cũng đã đề xuất mợt anten thu có mặt bức xạ hình elip bán ngụt hoạt đợng tại dải tần số 2.45 GHz với hiệu suất bức xạ 86.5 % một mạch chỉnh lưu nhân áp tầng có điện áp đầu lớn 𝑉𝐷𝐶 𝑚𝑎𝑥 = 5.392 𝑉, hiệu suất chuyển đổi mạch 70.438% Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 56 Đồ án tốt nghiệp KẾT LUẬN ĐỒ ÁN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Kết luận Sau trình tìm hiểu nghiên cứu, đờ án đã tìm hiểu phân tích nguồn lượng sóng điện từ có môi trường sống thông qua nghiên cứu khảo sát Từ đó cho thấy tiềm phát triển hệ thống thu lượng vô tuyến hiện Ngoài ra, đồ án cũng đã tìm hiểu về sở lý thuyết cấu trúc thành phần có mợt mạch rectenn thu lượng RF Các thành phần một rectenna thu lượng tại tần số 2.45 GHz đã được thiết kế mơ Mơ hình hóa phần tử được tính tốn chi tiết sau đó được mơ hai phần mềm CST MICROWAVE STUDIO với anten thu Advance Design System (ÀDS) cho khối mạch chỉnh lưu Kết quả mô thu được một anten thu với mặt bức xạ một elip bán ngụt hoạt đợng tại dải tần 2.45 GHz, có hiệu suất bức xạ là 86.5% độ lợi 2.008 dB Về khối mạch chỉnh lưu, mạch thiết kế mạch chỉnh lưu nhân áp tầng hoạt động dải tần 2.45 GHz với hiệu suất chuyển đổi lớn 70.438% tại công suất đầu vào dBm, điện áp DC đầu lớn 5.392V.Từ kết quả cho thấy mạch rectenna được thiết kế có tiềm để tích hợp vào thiết bị cảm biến không dây lượng thấp Hướng nghiên cứu Do thời gian nghiên cứu có hạn sự ảnh hưởng đại dịch Covid nên đề tài chưa hoàn thành việc chế tạo và đo mạch Rectenna thực tế Nên thời gian tới em tiến hành đo kiểm mạch rectenna và hướng tới tích hợp mạch vào thiết bị cảm biến để cung cấp nguồn hoạt động liên tục Ngoài ra, em cũng thiết kế tối ưu rectenna mức công suất đầu vào nhỏ nhằm phục hồi lượng sóng điện từ vùng có mật đợ cơng suất thấp Cuối cho phép em được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến cô TS Dương Thị Thanh Tú, người đã hướng dẫn và giúp đỡ em nhiều để em hồn thành đồ án ! Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 57 Đồ án tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Khắc An, Trần Mạnh Tuấn, "Vấn đề an ninh lượng giải pháp khai thác lượng mặt trời từ vũ trụ truyền về trái đất", NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2011 [2] William C Brown “The history of power transmission by radio waves” IEEE Trans MTT, 32(9):1230-1242, 1984 [3] Hossein Saghlatoon, Toni Björninen, Lauri Sydänheimo, Manos M Tentzeris, Leena Ukkonen, “Inkjet-Printed Wideband Planar Monopole Antenna on Cardboard for RF Energy-Harvesting Applications”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol 14, pp 325-328, 2015 [4] Manuel Piñuela, Paul D Mitcheson, Stepan Lucyszyn, “Ambient RF Energy Harvesting in Urban and Semi-Urban Environments”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol 61, No 7, pp 2715-2726, July 2013 [5] Zahra Khonsari, Toni Björninen, Lauri Sydänheimo, Manos Tentzeris, Leena Ukkonen, “Inkjet-printed monopole antenna and voltage doubler on cardboard for RF energy harvesting”, IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, pp 1312-1313, July 2015 [6] M H Islam et al., “Spectrum Survey in Singapore: Occupancy Measurements and Analyses”, pp 1–7, 2008 [7] Ognadon Assogba, Abdoul Karim Mbodji, Salick Diagne, Abdou Karim Diallo, “Design of a Rectenna in 2.45 GHz Band Frequency for Energy Harvesting”, Energy and Power Engineering Journal (EPE), Vol.13 No.9, pp 333-342, September 2021 [8] Mohamed Mokhlès Mnif, Hassene Mnif , Mourad Loulou, “An Efficient Dual Band 900MHz / 2.45GHz RF Energy Harvester”, IEEE 19th Mediterranean Microwave Symposium (MMS), 2019 [9] Vamsi Talla, Bryce Kellogg, Benjamin Ransford, Saman Naderiparizi, Shyamnath Gollakota and Joshua R Smith, “Powering the Next Billion Devices with Wi-Fi”, the 11th ACM Conference, December 2015 [10] Vamsi Talla, Stefano Pellerano, Hongtao Xu, Ashoke Ravi and Yorgos Palaskas, “Wi-Fi RF Energy Harvesting for Battery-Free Wearable Radio Platforms”, IEEE International Conference on RFID (RFID), pp 47-54, Apr 2015 [11] Ermeey Abd Kadir, Aiguo Patrick Hu, Morteza Biglari-Abhari, Kean C Aw, “Indoor WiFi Energy Harvester with Multiple Antenna for Low-power Wireless Applications”, IEEE 23rd International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), pp 526-530, June 2014 Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 58 Đồ án tốt nghiệp [12] Fatima Alneyadi, Maitha Alkaabi, Salama Alketbi, Shamsa Hajraf, and Rashad Ramzan, “2.4GHz WLAN RF Energy Harvester for Passive Indoor Sensor Nodes”, Semiconductor Electronics (ICSE), 2014 IEEE International Conference, pp 471474, Aug 2014 [13] Marwan Malaeb, Boutheina Tlili, “RF Energy Harvesting System for GSM900 and GSM1800 Bands”, 2021 6th International Conference on Renewable Energy: Generation and Applications (ICREGA), pp 9-14, Feb 2021 [14] Dinh Khanh Ho, Van-Duc Ngo, Ines Kharrat, Tan Phu Vuong, Quoc Cuong Nguyen, Minh Thuy Le, “A Novel Dual-Band Rectenna for Ambient RF Energy Harvesting at GSM 900 MHz and 1800 MHz”, Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal Vol 2, No 3, pp 612-616, 2017 [15] Yunus Uzun, “Design and Implementation of RF Energy Harvesting System for Low-Power Electronic Devicues”, Journal of Electronic Materials, pp 1-6, Mar 2016 [16] Antwi Nimo, Tobias Beckedahl, Thomas Ostertag and Leonhard Reindl, “Analysis of Passive RF-DC Power Rectification and Harvesting Wireless RF Energy for Microwatt Sensors”, AIMS Energy, Vol 3, No 2, pp.184-200, Apr 2015 [17] Jingwei Zhang, Yi Huang and Ping Cao, “A microwave wireless energy harvesting system with a wideband antenna array”, Transactions of the Institute of Measurement and Control, Sept 2014 [18] Alanson Sample and Joshua R Smith, “Experimental Results with two Wireless Power Transfer Systems”, Proceedings of the 4th international conference on Radio and wireless symposium, RWS’09, Piscataway, NJ, USA, pp 16-18, Jan 2009 [19] Chomora Mikeka, Hiroyuki Arai, Apostolos Georgiadis and Ana Collado, “DTV band micropower RF energyharvesting circuit architecture and performance analysis”, RFID-Technologies and Applications (RFID-TA), IEEE International Conference, pp.561-567, Sept 2011 [20] Aaron N Parks, Alanson P Sample, Yi Zhao, Joshua R Smith, “A Wireless Sensing Platform Utilizing Ambient RF Energy”, Biomedical Wireless Technologies, Networks, and Sensing Systems (BioWireleSS), 2013 IEEE Topical Conference, pp.154-156, Jan 2013 [21] L J Gabrillo, M G Gales and J A Hora, “Enhanced RF to DC converter with LC resonant circuit”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, IOP Publishing, Vol 79, No 1, 2015 [22] Tiago Moura, Nuno Borges de Carvalho, Pedro Pinho, “Design of an Efficient DTV Energy Harvesting System for Low-power Applications”, Microwave Symposium (MMS), IEEE 15th Mediterranean, pp.1-4, Nov 2015 Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 59 Đồ án tốt nghiệp [23] Danpeng Xie, Xueguan Liu, Huiping Guo, Xinmi Yang, “Square electrically small EAD antenna array for RF energy harvesting from TV broadcast tower”, Microwave Conference (APMC), Asia-Pacific, pp 1357-1359,Nov 2014 [24] C A Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design John Wiley & Sons, 2016 [25] CST MICROWAVE STUDIO 2018 – Workflow and Solver Overview [26] Datasheet HSMS-285x, Agilent Technologies Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 60 ... Sơn, D17CQVT08-B 16 Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Mạch thu lượng rectenna CHƯƠNG 2: MẠCH THU NĂNG LƯỢNG QUA SĨNG VƠ TUYẾN (RECTENNA) CHO CÁC THIẾT BỊ CẢM BIẾN KHƠNG DÂY NĂNG LƯỢNG THẤP Chương trình... thi chuyển đổi lượng từ sóng vơ tuyến 16 1.5 Kết luận chương 16 CHƯƠNG 2: MẠCH THU NĂNG LƯỢNG QUA SĨNG VƠ TUYẾN (RECTENNA) CHO CÁC THIẾT BỊ CẢM BIẾN KHÔNG DÂY NĂNG LƯỢNG THẤP ... Xuân Sơn, D17CQVT08-B Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan thu thập lượng qua sóng vơ tuyến CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THU THẬP NĂNG LƯỢNG QUA SĨNG VƠ TUYẾN Chương trình bày tởng quan về ng̀n lượng