Thu thập năng lượng Energy Harvesting từ tự nhiên còn được ứng dụng nhiều trong IoT và các thiết bị kết nối không dây, với sốlượng lớn các thiết bi không dây ngày nay có khả năng phát ra
Trang 1ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH
LE CHU KHÁNH TOAN - 20522023
PHAM NGOC LAN ANH - 20520882
KHOA LUAN TOT NGHIEP
THIET KE, CHE TẠO VÀ ĐO DAC RECTENNA TAI CAU HINH VA DE XUAT CAU TRUC VI MACH CUA
MACH CHÍNH LƯU TAI CAU HÌNH
DESIGN, FABRICATION AND MEASUREMENT OF A
RECONFIGURABLE RECTENNA AND A PROPOSAL OF
RECONFIGURABLE RECTIFIER IC STRUCTURE
KY SU NGANH KY THUAT MAY TINH
GIANG VIEN HUONG DAN
TRINH LE HUY
TP HO CHi MINH, 2023
Trang 2THONG TIN HOI DONG CHAM KHÓA LUẬN TOT NGHIỆP
Hội đồng cham khóa luận tốt nghiệp, thành lập theo Quyết định số 11/QD-DHCNTT
ngày 05 tháng 01 năm 2024 của Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghệ Thông tin.
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến với trường
Đại học Công nghệ Thông tin, ĐHQG và đặc biệt là Khoa Kỹ thuật Máy Tính đã
xây dựng cho chúng em một môi trường học tập với đầy đủ trang thiết bị cùng sựquan tâm dé chúng em có thé chuyên tâm học tập
Song song đó, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giảng viên
trường Đại học Công nghệ Thông tin đã tận tình giảng dạy và chăm sóc chúng
em, truyền đạt cho chúng em nhiều kiến thức bổ ich trong suốt bốn năm dai học,
từ đó chúng em có đầy đủ kiến thức dé thực hiện khóa luận và có hành trang vữngchắc cho sự nghiệp trong tương lai
Chúng em đặc biệt muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Trịnh LêHuy, người thầy cũng đồng thời là người hướng dẫn đồ án và khóa luận tốt nghiệp,
đã tận tình giúp đỡ và dẫn dắt chúng em hoàn thành khóa luận này Em xin cảm
ơn Thạc sĩ Nguyễn Minh Thiện — giảng viên trường Dai học Quốc Tế, ĐHQGTPHCM đã hỗ trợ những trang thiết bị cần thiết cũng như giúp đỡ chúng em trong
quá trình nghiên cứu và đo đạc sản phẩm.
Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn đến tất cả những người đã
dành thời gian, công sức giúp đỡ nhóm chúng em hoàn thành khóa luận Do giới
hạn kiến thức và khả năng lý luận của bản thân còn nhiều thiếu sót và hạn chế,kính mong sự chỉ dẫn và đóng góp của các giảng viên khoa để khóa luận củachúng em được hoàn thiện hơn.
Lê Chu Khánh Toàn
Phạm Ngọc Lan Anh
Trang 45n MUC thOU na e Ả 9
1.3.2 Đối tượng nghiên cứu 2¿©2+c++EE+EEtEEE2EEEEEeEEerEerrkrrkervee 9
1.4 Thuận lợi và khó khăn 6 E2 11122111112 111118111181 1111851111811 xe 9
1.4.1 0 0 0 ee 9
1.4.2 — Khó khăn - - LG SH HH TH TH HH HH rưy 10Chương 2 LÝ THUYET CƠ BAN VE RECTENNA -5-©5c5scscs2 11
2.1 Tổng quan MI cess | / 112.2 Câu trúc chung của Rectenna eccecseccscsccsscssssssssessessesssssessesessseeseesesseeseesesees 12
2.2.1 900000)00ì19ì)00(đÝÝ 12 2.2.2, Di sa 15
2.2.3 Matching — CITCUI( - GG- c 3113119111 111 vn re 15 2.2.4 Diode€ reCtIÍI€T SH HH HH HH ng ệt 17
PC NNNcisiniï sáuì 8.(.vio.)::.ỒẲŨỒÂỒẮẢỒẮADỖŨỤỤỤỪ 19Chương 3 LÝ THUYET CƠ BAN CUA CAU TRÚC SIP -5- 52 52 21
3.1 Tổng quan s-©2£©52+EE+EE‡EE2EEEEEEE1E211211211717112112117111 2111111, 21
3.2 Phân loại công nghệ đóng QO1 0 ec eeseeseesececceseeeseeeseeeeeeeeeseeeseeseeeeenseeees 21
3.2.1 Công nghệ 2.5: Ăn HH TH HH nh rư 22 3.2.2 _ Công nghệ 3ÌD: Ăn HH SH HT TH HH kg 22
Trang 53.2.3 Công nghệ System in Package side — by — side : - 23
3.3 Lợi ích của công nghệ System - in - Package (S1P) - - «+2 24
3.4 Ứng dung của công nghệ System — in — Package (SiP) -: 25
Chương 4 THIẾT KE CHE TẠO VÀ CÁC THONG SO ĐO DAC RECTENNAKET HỢP CÙNG CAU TRÚC SIP -2- 5: 5£ £2SE+EE£EEt2EEEEEEEEtEEEEEEEEkrrkrrkrrex 27
4.1 Thiết kế chế tạo và mô phỏng Rectifier - 2 2 2 2+se+xe£xerxerszxez 27
4.1.1 Thiết kế diode rectifier .ccccccccssesssessessesssessessessessesssessessessessseeseesess 28
4.1.2 _ Thiết kế Matching circuit cho Rectenna . - s55: 31
4.1.3 Thiết kế Rectenna dựa trên cau trúc SiP - - ¿s+scs+xzx+xers 324.1.4 Kết quả mô phỏng Rectenna -¿-©5¿©cx+©++cxe+rxesreeee 374.2 Sản phẩm phan cứng và kết quả đo đạc Rectifier thực tế 39
4.2.1 Sản phâm phan cứng thực tế và hình ảnh đo thực tế 394.2.2 Kết quả và số liệu do Rectifier thực tẾ -¿ scccxcccxees 434.2.3 Sản pham Rectenna thực tế và kết quả đo đạc Rectenna 50Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHAT TRIEN 2-52 52 s+cs2 s2 55
`.“ 5 55
5.1.1 _ Kết quả và ứng dụng của dé tài vào thực tẾ -secs+c++ 55
5.1.2 Ưu điểm cải tiến so sánh với các dé tài cùng chủ đề 56
5.2 Hướng phát triỀn - E©k+SE+EE+EE+EEEEEEEEEEEEEEEEE1121121171 711111 x0 57
Trang 6Hình 7: Lich sử của các dạng đóng BØóÓI - - 5 33393119 111 errrrrkrrre 21
Hình 16: Kiến trúc mạch matching ciruit :s¿ 2 5¿2++2++zx++zxe+zxzxesrss 32
Hình 17: Kiến trúc toàn mạch Rectennna - ¿+ +x+x+E£EE+E+EeEE+EeEeEtzxexerereexee 33
Hình 18: Layout mặt tTƯỚC - - ¿(c2 131113111311 11311 1 911 11 1111911 1 HH ng 34 Hinh 19: Layout mat sau 0 34 Hình 20: Layout 3D mat fƯỚC - - - +1 1119111911 911191111 ng vn ng ng 35
Hình 21: Layout 3D mặt SaU + 3kg TH ng ng it 35
Hình 22: Sơ đồ chân pin của mạch 2-22 +¿+2++2E++Ex+2EEt2EEtEEverkerrxerresree 36Hình 23: Kết quả mô phỏng Rectenna + ¿5£ + E+SE2EE£E£+E£E£Ee£Eerxerxerxrree 37Hình 24: Kết quả mô phỏng hiệu suất của 4 tần sỐ 2-2 2 s2 x+£++£s+£sz +2 38Hình 25: Mach thực tế (mặt tTƯỚC) ¿- St kSt+EEE‡EEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkerrkererkrri 39
Hình 26: Mach mặt sau và kích thƯỚc - -c 331111325 133553555 xxxe+ 39 Hình 27: Mặt sau của mạch đóng QOL - 5 5S nh HH gi ưệt 40 Hình 28: Mặt trước mạch đóng BÓI + 2213 * 211193119111 11 1 11 1 tr re 40
Trang 7Hình 20:
Hình 30:
Hình 31:
Hình 32:
Hình 33:
Hình 34:
Hình 35:
Hình 36:
Hình 37:
Hình 38:
Hình 39:
Hình 40:
Hình 41:
Hình 42:
Hình 43:
Hình 44:
Hình 45:
Hình 46:
Hình 47:
Hình 48:
Hình 49:
Hình 50:
Hình 51:
Hình 52:
Hình 53:
Hình 54:
Hình 55:
Schematic của mạch kiểm tra ¿5-56 St+EeEE‡EvEE‡EEEEEE+EeEkererxererxee Hình 3D mạch kiểm tra 22¿22v+cttEEktrrrrtrrtrrrttrrirrrrrriirrrie Mạch kiểm tra thực £6 TT 11111 1111111111111111 1111111111111 1111 TxcE
Sơ đồ đo điện áp - ¿5s t2 2 2 12712211211271112112112111121 21a
Do trở đầu ra của biễn tTỞ - 2-2 2+S£+E+E£EE£EE£EEEEEEEEEEEEEEEErkerkerrrex Điện áp dau ra của trường hợp hiệu suất tốt nhất - 2 s-<+
Mach hoat 0101011770777
Biểu đồ so sánh hiệu suất giữa các giá tri điện trở -
‹ Biểu đồ mô tả điện áp mô phỏng và thực tế của tần số 868 MHz
Biểu đồ mô tả hiệu suất mô phỏng và thực tế của tần số 868 MHz
Biểu đồ mô tả điện áp mô phỏng và thực tế của tần số 890 MHz
Biểu đồ mô tả hiệu suất mô phỏng và thực tế của tần số 890 MHz
Biểu đồ mô tả điện áp mô phỏng và thực tế của tần số 915 MHz
Biểu đồ mô tả hiệu suất mô phỏng và thực tế của tần số 915 MHz
Biểu đồ mô tả điện áp mô phỏng và thực tế của tần số 925 MHz
Biểu đồ mô tả hiệu suất mô phỏng và thực tế của tần số 925 MHz
So sánh hiệu năng của bốn tan $6 2-2 2+£+££+E£+kezxerxerxsrxee Antenna RT — CP3 — QL Lacuna ¿+2 + + **+++2£+++evexsseeessss Hệ số phản xạ của anf€nnia - - c1 1119 vn ng ng Rectenna thực TẾ HT T111 1171111111111 1111 1111111111111 7111111111111 Errke Sơ đồ thử nghiệm thu — phát sóng của rectenna 2-2-2: Mô hình thu — phát sóng thực tẾ - ¿2-2 + ++E++E++E££Eezkerxerxerszes Kết qua đo điện áp rectenna dựa theo khoảng cách - 5+: Mach cải tiễn mặt trưỚC - ¿St St EEEkEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkEEkrkerkerrkee Mach cải tiễn mặt sau - 6-5 St SE EEEEEEEEEEEEEEkEEEEEEEETEEEkrkerkrrrrkee
Mạch 3D (mat trƯỚC) 1011111129111 11 1111801111111 1g 111 kg ưyy
Mạch 3D (mặt SaU) - - - -GG Q00 10111112 9 21111111 1v ng ven ưyy
Trang 8DANH MỤC BANG
Bang 1: Thông số diode SMS — 7630 -¿- 2 ¿2 SE‡EE‡EE2EE2EE2EEEEEEEEEEEEerkrrkrree 30Bảng 2: Bảng so sánh ưu nhược điểm của lumped component và microstrip line 32
Bang 3: Bảng giá tri linh kiện tụ CAM - - 5 5 +1 HH HH ưệt 33
Bảng 4: Giá trị cuộn cảm tương ứng với tẦn $6 -¿©22 ++xvzxzzzzxerxcres 34
Bảng 5: Chức năng của các chân pIT 5 + + 13v HT 36
Bang 6: Thông số kỹ thuật của antenna 2-22 2 x+SE+2E£2EE+EE+EEerEEzExerxerxerer 51
Bang 7: So sánh cải tiễn so với bài báo đồng thé loại 2 2555 5scs+csss2 57
Trang 9DANH MỤC TỪ VIET TAT
Viết tắt Tên đầy đủ Y nghĩa
SIP System in Package Cấu trúc hệ thống trong
một gói
loT Internet of Things Internet vạn vật
RE Radio Frequency Tần sô vô tuyến
WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không
dây
DC Direct current Dong điện một chiều
GND Ground Đất
AC Alternative current Dòng điện xoay chiều
WPT Wireless power transfer Hệ thống chuyên đôi
dòng điện không dây
PMIC Power management integrated circuit | Mạch quản ly năng lượng
PCB Printed circuit board Mạch In
ADS Advanced Design System Phan mém cua Keysight
HB Harmonic Balance Phong pháp cân bang
UAV Unmanned aerial vehicle Thiết bị không người lái
SMD Surface mount device Linh kiện dán
SRF Self — resonance Frequency Tan số tự cộng hưởng
RHCP Right hand circular polarization Phan cuc tron phai
Trang 10TÓM TẮT KHÓA LUẬN
Với tốc độ phát triển nhanh chóng của các mô-đun không dây đang hoạt độnghiện nay, nhiều tín hiệu RF được phát ra trong các môi trường như WiFi, 2G, 3G,LTE, v.v Nhờ kha năng thu thập các tín hiệu RF có sẵn này và chuyền đổi thànhnguồn DC đề đánh thức (wake-up Receiver) các thiết bị điện tử, Rectenna đã và đangđạt được nhiều chú ý trong việc phát triển các thiết bị hệ thống nhúng không dây(WSN) Tính năng quan trọng của rectenna là hiệu quả chuyền đổi tín hiệu RF sangdòng điện DC cần được tối ưu hóa bằng cách sử dụng các cấu trúc hoặc thành phầnkhác nhau Do đó, mục tiêu chính là đảm bảo nguồn DC tối đa được cung cấp cho tải
Đề tài “Thiết kế, chế tạo và đo đạc rectenna tái cấu hình va đề xuất cấu trúc vi
mach System — in — Package (SiP) của mạch chỉnh lưu tái cau hình”, trình bày hai nộidung chính bao gồm:
Nội dung 1:
Thiết kế, chế tao và đo đạc mô-đun Rectenna được tái cau hình với kích thướcnhỏ là 5 * 5 * 0.8 mm Với kích thước nhỏ gọn, thiết bị dé đàng tích hợp và hỗ trợcác thiết bị IoT khác tùy vào mục đích sử dụng, đồng thời cũng có thể tối ưu diện tíchcủa mạch nhằm tôi ưu giá thành Thiết bi này có thé hoạt động ở bốn băng tan là 868,
890, 915 và 925 MHz Với kết quả đo đạc cho thây rectenna đạt hệ số phản xạ dưới-10 đB cho cả bốn băng tần Ngoài ra hiệu suất chuyên hóa năng lượng sẽ đạt khoảng
50% ở mỗi băng tan
Nội dung 2:
Đề xuất và thực thi cấu trúc vi mach System in Package (SiP) Dé có thé tối
ưu diện tích như nội dung 1 đã nêu, cấu trúc vi mạch SiP được nghiên cứu và áp dụng,
cụ thé là cấu trúc SiP side — by — side Hơn nữa, cấu trúc này được áp dụng vào
Rectenna theo dạng bị động (passive), từ đó người dùng có thé chủ động chọn cuộn
cảm thích hợp dé tương thích với băng tan cần sử dụng
Trang 11MỞ ĐẦU
Cùng với sự tiến bộ ngày càng lớn của ngành công nghiệp 4.0 nói chung vàngành vi mạch bán dẫn nói riêng, trong quá trình phát triển công nghệ vi mạch, ngoài
việc cải tiến kích thước thi năng lượng tiêu thụ và cách thức truyền tải năng lượng
cũng là một trong những van đề rất được quan tâm Ngoài những cách phổ biến détruyền tải năng lượng như sử dụng dầu mỏ, than đá, khí tự nhiên và năng lượng hạtnhân sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường khi liên tục thải các khí CO2, NO, SO2, etcthì việc tái tạo năng lượng sạch từ mặt trời, gid, nước, v.v vừa có thể đảm bảo cácvan dé 6 nhiễm môi trường, vừa cải thiện sức khỏe cho con người cũng như hạn chế
việc cạn kiệt tài nguyên tự nhiên Thu thập năng lượng (Energy Harvesting) từ tự
nhiên còn được ứng dụng nhiều trong IoT và các thiết bị kết nối không dây, với sốlượng lớn các thiết bi không dây ngày nay có khả năng phát ra môi trường nhiễu loạisóng RF như 2G, 3G, 4G, 5G, WiFi, v.v và các loại sóng RF này có thé được khaithác và chuyển thành dòng DC dé cung cap dong dién cho cac thiét bi hoat động Vivậy, bai toán đặt ra hiện nay là một thiết kế có thé giúp thu thập năng lượng từ khoảng
cách xa với hiệu năng cao, kích cỡ nhỏ gọn và chi phí chế tạo thấp dé phù hợp cho
các ứng dụng IoT cũng như có thé tái cầu hình băng tần dé có thé hoạt động tươngthích với nhiều thiết bị phat RF khác nhau Dé giải quyết van đề trên, dé tài này sẽnghiên cứu việc thu sóng RF từ nhiều tần số có trong môi trường và chuyên hóa thànhđiện một chiều (DC), kết hợp với công nghệ System in Package (SiP) giúp tôi ưu diện
tích và giá thành trên mạch.
Với đề tài khóa luận “Thiết kế, chế tạo và đo đạc rectenna tái cấu hình và đề
xuất cau trúc vi mach của mạch chỉnh lưu tái cấu hình” đề xuất một giải pháp chính
là thu thập năng lượng RF từ môi trường và chuyền hóa năng lượng này thành dòng
điện DC dé phục vu cho các mục dich trong công nghệ IoT Khóa luận của chúng em
có hai mục tiêu chính bao gồm:
Nội dung 1:
Thiết kế, chế tạo và đo đạc Rectenna được tái cấu hình với kích thước nhỏ là
0.5 x 0.5 « 0.8 cmŸ Với kích thước nhỏ gon, thiết bị dé dàng tích hợp và hỗ trợ các
Trang 12thiết bị IoT khác tùy vào mục đích sử dụng, đồng thời cũng có thể tối ưu diện tích
của mạch nhăm tối ưu giá thành Thiết bị này có thể hoạt động ở bốn băng tan là 868,
890, 915 và 925 MHz Với kết qua đo đạc cho thay rectenna đạt hệ số phản xa dưới
-10 đB cho cả bốn băng tần Hiệu suất chuyền hóa năng lượng của mỗi băng tần đạttrên 50% Ngoài ra với chức năng chính của thiết bị là chuyên hóa năng lượng từ môitrường thành dòng điện DC, thiết bị này còn đóng góp một phần nhỏ trong việc bảo
vệ môi trường khi không sử dụng những nguồn điện như pin Khóa luận này được
thực hiện va cải tiến dựa trên bài báo khoa học được đăng trên tạp chí Electronics
“Compact Dual-Band Rectenna Based on Dual-Mode Metal-Rimmed Antenna” của
Tiến Sĩ Trịnh Lê Huy và Kỹ su Vũ Ngọc Anh Hà [5]
Nội dung 2:
Đề xuất và thực thi cấu trúc vi mạch System in Package (SiP) Đề có thể tối
ưu diện tích như nội dung 1 đã nêu, cau trúc vi mạch SiP được nghiên cứu va áp dụng,
cụ thé là cấu trúc SiP side — by — side Với nội dung 1 kết hợp cùng với cấu trúc SiP
tạo nên một passive — rectenna, từ đó người dùng có thé chủ động chọn loại linh kiệncuộn cảm phù hợp với băng tần cần sử dụng
Báo cáo được tổng hợp thành các nội dung chính như sau:
— Chương 1: Tổng quan đề tai
— Chương 2: Lý thuyết cơ bản của Rectenna
— Chương 3: Lý thuyết cơ bản của cấu trúc SiP
— Chương 4: Thiết kế chế tạo và các thông số đo đạc Rectenna kết hợp cùng
cau trúc SiP
— Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Trang 13Chương 1 TONG QUAN DE TAI
Chương | sẽ tóm tắt và giới thiệu về ngữ cảnh của đề tài, tình hình và bài toán
được đặt ra ở thời điểm hiện tại, cũng như đề cập đến các giải pháp và các bài báo,
công trình nghiên cứu liên quan từ đó nêu rõ mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của
khóa luận cũng như nêu lên một số khó khăn gặp phải khi thực hiện khóa luận
1.1 Tình hình hiện tại
Cùng với sự tiến bộ ngày càng lớn của ngành công nghiệp 4.0 nói chung và
ngành vi mạch bán dẫn nói riêng, trong quá trình phát triển công nghệ vi mạch, ngoàiviệc cải tiến kích thước thì năng lượng tiêu thụ và cách thức truyền tải năng lượngcũng là một trong những van đề rất được quan tâm Ngoài những cách phổ biến détruyền tải năng lượng như sử dụng dầu mỏ, than đá, khí tự nhiên và năng lượng hạtnhân sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường khi liên tục thải các khí CO2, NO, SO2, etc
thì việc tái tạo năng lượng sạch từ mặt trời, gid, nước, v.v [1], [2] vừa có thé đảm bảo
các van dé ô nhiễm môi trường, vừa cải thiện sức khỏe cho con người cũng như hạn
chế việc cạn kiệt tài nguyên tự nhiên Thu thập năng lượng từ tự nhiên còn được ứng
dụng nhiều trong IoT [3] và các thiết bị kết nối không dây, với số lượng lớn các thiết
bị không dây ngày nay có khả năng phát ra môi trường nhiều loại sóng RF như 2G,3G, 4G, 5G, WiFi, v.v và các loại sóng RF này có thể được khai thác và chuyển thành
dòng DC dé cung cấp dòng điện cho các thiết bị hoạt động [4], [5] Vì vậy, bài toán
đặt ra hiện nay là một thiết kế có thé giúp thu thập năng lượng từ khoảng cách xa vớihiệu năng cao, kích cỡ nhỏ gọn và chi phí chế tạo thấp dé phù hợp cho các ứng dụngIoT cũng như có thé tái cầu hình băng tan dé có thé hoạt động tương thích với nhiềuthiết bị phát RF khác nhau Dé giải quyết vấn đề trên, đề tài này sẽ nghiên cứu việc
thu sóng RE từ nhiều tần số có trong môi trường và chuyên hóa thành điện một chiều(DC), kết hợp với công nghệ System in Package (SiP) giúp tối ưu diện tích và giá
thành trên mạch.
Trang 14Process monitoring & Climate/agriculture
Wearables control, Food monitoring/alerts, monitoring
\_Kideisenior tracker Maintance monitoring | Environmental monitoring Livestock tracking J
Hình 1: Ứng dung IoT trong đời sống [16]
1.2 Giải pháp:
Với sự tái tạo vĩnh cửu từ năng lượng môi trường, nguồn năng lượng này đãtrở nên tiềm năng hơn hắn so với năng lượng dự trữ từ nguồn pin hoặc đốt các nhiênliệu Từ đó, hiển nhiên việc nghiên cứu và khai thác các nguồn năng lượng tự nhiên
là giải pháp hoàn hảo nhất, vừa bảo vệ môi trường, vừa tiết kiệm về mặt giá thành
trên một thiết bị Nhiều giải pháp về thu thập và lưu trữ năng lượng được đề xuất như
sử dụng các pin sạc lại nhiều lần, pin năng lượng ánh sáng, thì trong đó sạc không
dây đang là một chủ đề được nghiên cứu và phát triển rất nhiều, một số ví dụ điểnhình như iPhone đã tích hop sạc không dây bằng cách đặt mặt sau của điện thoại lênthiết bi, sử dụng chuẩn sạc Qi dùng cảm ứng từ và cộng hưởng dé quá trình sạc diễn
ra được an toàn hơn cho người dùng Nhiều giải pháp về thu thập và lưu trữ nănglượng được đề xuất như sử dụng các pin sạc lại nhiều lần, pin năng lượng ánh sáng
thì trong đó sạc không dây đang là một chủ đề được nghiên cứu và phát triển rấtnhiều, một số ví dụ điển hình như iPhone đã tích hợp sạc không dây bằng cách đặtmặt sau của điện thoại lên thiết bị, sử dụng chuẩn sạc Qi dùng cảm ứng từ và cộnghưởng dé quá trình sạc diễn ra được an toàn hơn cho người dùng Những nghiên cứu
về sạc không dây không những bảo vệ môi trường mà còn giúp người dùng giảmthiểu các tai nạn đáng tiếc xảy ra do quá trình sạc Đề đạt được mục tiêu trên, các
module không dây đã được sản xuất dé phát ra nhiều tần số RF như WiFi, 4G, 5G và
Trang 15nhờ kha năng thu thập và chuyền hóa chúng thành dòng điện DC, rectenna đã đượcnghiên cứu và sử dụng rộng rãi dé truyền tải năng lượng không dây.
Kỹ thuật thu thập năng lượng (Energy Harvesting) sử dụng hai phương pháp
chính là Electromagnetic và Magnetic Cả hai phương pháp này đều hỗ trợ nhu cầu
tiêu thụ điện năng ngày càng cao của xã hội và đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
Electromagnetic và Magnetic đều thu hoạch điện năng từ môi trường mà không gây
ô nhiễm hay tiêu tốn tài nguyên từ môi trường Cả hai phương pháp này đều có khảnăng thu thập năng lượng và có thé ứng dụng cho cả thiết bị low power và high power
Tuy nhiên, mỗi phương pháp lại có những ưu điểm và nhược điểm riêng
Phương pháp Electromagnetic sử dụng nguyên lý chuyền đổi năng lượng từsóng điện từ thành điện năng điện tử Điện từ từ môi trường như sóng vô tuyến (radio,WiFi), hay ánh sáng có thé được thu thập và chuyên hóa thành dòng điện sử dụngrectenna Rectenna, một từ ghép của "rectifying" và "antenna", là một thiết bị chuyểnđổi sóng điện từ thành điện năng Nó bao gồm một antenna đề thu thập sóng điện từ
và một mạch chỉnh lưu dé chuyền đổi sóng thành dòng điện DC Các rectenna có théđược sử dụng dé thu thập năng lượng từ các nguồn sóng điện từ môi trường xung
quanh chúng.
Phương pháp Magnetic sử dụng nguyên lý tạo ra dòng điện bằng cách dichuyên một nam châm gần một cuộn dây hoặc ngược lại Khi nam châm di chuyền,
nó tạo ra một đòng điện trong cuộn dây bang cách tạo ra sự thay đổi trong dòng từ
Các thiết bị sử dụng phương pháp này thường sử dụng năng lượng từ các nguồn như
năng lượng rung (vibration energy), năng lượng từ các bước chan (footstep energy),
hoặc năng lượng từ luéng không khí (airflow energy) Một ví dụ của phương pháp
này là sử dụng thiết bị có tên gọi "Triboelectric Nanogenerator" (TENG), một thiết
bị có khả năng chuyền đổi năng lượng từ cơ học thành điện năng bằng cách sử dụng
hiện tượng tạo điện tĩnh (triboelectric effect) và hiện tượng từ tính (electromagnetic
effect).
Cả hai phương pháp Electromagnetic va Magnetic đều có ưu điểm và nhược
điểm riêng Với phương pháp Electromagnetic, ưu điểm là có thé thu thập năng lượng
Trang 16từ nhiều nguồn sóng điện từ môi trường nhưng nhược điểm là hiệu suất thu thập có
thé bị giảm khi có nhiều nguồn sóng xung quanh Phương pháp Magnetic, ưu điểm
là có thể thu thập năng lượng từ các nguồn cơ học như rung động và bước chân, nhưng
nhược điểm là hiệu suất thu thập có thê bị hạn chế do độ nhạy và độ chính xác củacảm biến Tổng kết lại, việc nghiên cứu và khai thác các nguồn năng lượng tự nhiên,kết hợp với sạc không dây, là một giải pháp tiềm năng dé bảo vệ môi trường và tiếtkiệm chi phí Các công nghệ như rectenna và sạc không dây đang được phát triển và
áp dụng rộng rãi, mang lại lợi ích cho người dùng và môi trường Tuy vậy, cần tiếptục nghiên cứu và dau tư dé cải tiến hiệu suất và khả năng ứng dụng của các giải pháp
này trong tương lai.
Bên cạnh đó, vì tính chất của phương pháp magnetic là thu thập năng lượng ởkhoảng cách gần, nên phương pháp này trở nên không hiệu quả đối với vấn đề mànghiên cứu đặt ra là cần thu thập năng lượng từ xa nên giải pháp dé giải quyết vấn dé
nay là sử dụng phương pháp Electromagnetic.Với những ưu điểm giống với
Magnetic, phương pháp này còn có thê nhận năng lượng từ xa với hiệu suất cao, đồngthời một ứng dụng phải ké đến với phương pháp này là Rectenna [8], [9], [10] Vớinhững ưu điểm trên cộng thêm kích thước nhỏ gọn, dễ dàng tương thích với các thiết
bị RF hiện nay, có thé thu thập tín hiệu và tích hợp với nhiều hệ thống lưu trữ năng
lượng khác nhau như pin hoặc tụ điện, Rectenna được sử dụng rộng rãi trong việc thu
thập năng lượng RF cho mạng lưới cảm biến không dây (WSN) trong các ứng dụng
IoT [11].
Song song với các ứng dụng IoT và van dé thu thập năng lượng sạch ngàycàng được chú ý phát triển, Rectenna cũng ngày càng cải tiễn với nhiều cấu trúc khácnhau nhằm tối ưu kích thước và hiệu năng Từ đó, nhiều cấu trúc của Rectenna đượcnghiên cứu và sử dụng trong nhiều ứng dụng và mục đích khác nhau, cùng với các
ưu điểm nhược điểm khác nhau Có ba loại cau trúc chính bao gồm: PCB kết hợp với
Stripline, PCB kết hợp các linh kiện thuần và công nghệ System in Package Về cấutrúc PCB Stripline, cấu trúc này giúp người thiết kế dé dàng thay đổi các giá trị LC
trên mạch, không cân phụ thuộc vào giá tri tiêu chuân, từ đó làm cho mạch nhận được
Trang 17tốt hơn với tần số mong muốn, tuy nhiên vì tính chất Stripline là đường dây dẫn nên
sẽ có trở kháng, dẫn đến suy hao năng lượng, hiệu suất đầu ra bị giảm sút Với PCB
và linh kiện, cầu trúc này sẽ giải quyết được van đề về hiệu suất đầu ra, giúp thu đượckết quả tốt, đồng thời kích thước sẽ nhỏ hơn so với mạch PCB Stripline, tuy nhiênlinh kiện khi sản xuất ra sẽ có sai số riêng theo thiết kế của nhà sản xuất nên kết quảcủa mạch thực tế sẽ có chênh lệch với mô phỏng Cuối cùng, một nhược diém của hai
cấu trúc trên so với SiP mà van dé của nghiên cứu này yêu cầu chính là kích thước:
cả hai cau trúc này đều có kích thước lớn hơn System in Package hay còn gọi là SiP
Công nghệ System in Package (SiP) đang dần được sử dụng rộng rãi trong nhữngnăm gan đây vì tính hữu dụng mà nó mang lại, SiP là giải pháp giúp đóng gói tat cảmọi thành phần từ vi xử lý (processor), chip quản lý năng lượng (PMIC), chip xử lýsóng, bộ nhớ, v.v vào một “khối” duy nhất Từ đó, SiP giúp giảm diện tích cũng nhưkhối lượng đóng gói và tăng mật độ linh kiện điện tử 2.1D là một giải pháp của SiP,khi sắp xếp các chip thành phần bên cạnh nhau (side-by-side) Ưu điểm chính củacấu trúc này là kích thước nhỏ gọn và phù hợp với nhiều hệ thống hiện nay, đặc biệt
là các ứng dụng IoT Đây cũng là một trong những lý do dé xuất cau trúc SiP cho dé
tài nghiên cứu này.
Đề có thể hiện thực mạch Rectenna từ sơ đồ nguyên lý hoạt động, đầu tiênnhóm chúng em thiết kế sơ đồ mach (Schematic) trên phần mềm Advanced Design
System (ADS) và chỉnh sửa các thông số của linh kiện và mô phỏng dé thiết kế đáp
ứng được các thông số đề ra Tiếp theo, dé thực hiện việc dé xuất thiết kế mức vi
mạch, nhóm chúng em sẽ sử dụng công nghệ System In Package (SIP) Mạch
Rectenna sẽ được chuyền sang phần mềm Altium dé thực hiện việc layout, bo mach
dự kiến sẽ có kích thước 5 * 5 * 0.8 mmÖvà các linh kiện sẽ được sắp xếp phù hợp
theo công nghệ System in Package (SiP) và hoàn thiện ở mức thiết kế vi mạch Saukhi hoàn thành thiết kế, đặt mạch và gia công, mạch sẽ được đo đạc kết quả thực té
dé so sánh với kêt quả trên mô phỏng.
Trang 181.3 Mục tiêu và đối tượng
1.3.1 Mục tiêuHiện nay, Rectenna đã và đang nhận được nhiều sự chú ý và quan tâm trêntoàn thế giới Nhờ đó, nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện và đạt đượcnhiều thành quả nhất định Tuy nhiên nhiều nghiên cứu vẫn còn một số hạn chế về sốlượng băng tần, hiệu suất chuyển hóa năng lượng chưa được tối ưu cũng như kích
thước của thiết kế còn quá lớn
— Đề xuất câu trúc vi mach System in Package (SiP)
1.3.2 Đối tượng nghiên cứu
— Các cơ sở lý thuyết được áp dụng vào thiết kế và chế tạo mạch rectenna, bao
gồm các nội dung sau: Matching circuit, Rectifier, HB (Harmonic Balance) và
S-parameter.
— Layout thiết kế theo cấu trúc System in Package (SiP) Side — by — side
— Hoan thién, lap rap va do dac mach Rectenna
1.4 Thuận lợi và khó khăn
1.4.1 Thuận lợi
Với sự hỗ trợ của khoa Kĩ Thuật Máy Tính, công ty RFThings và Thạc sĩ
Nguyễn Minh Thiện từ trường Đại học Quốc tế - ĐHQG TPHCM, nhóm đã có đầy
đủ điều kiện cũng như trang thiết bị dé tiến hành thực hiện đồ án Ngoài ra, các linh
kiện như PCB, cuộn cảm, điện trở, tụ điện được vận chuyên từ công ty LCSC mộtcách rất nhanh chóng góp phần làm giảm thời gian hoàn thành khóa luận
Trang 19Ngoài ra, Giảng viên hướng dẫn là Tiến sĩ Trịnh Lê Huy đã cung cấp những
kiến thức cần thiết, đồng thời hỗ trợ kinh phí về linh kiện và đặt mạch đề thực hiện
khóa luận Song song đó còn có sự hướng dẫn của Kỹ sư Vũ Ngọc Anh Hà, tác giả
của bài báo mà nhóm chúng em dựa vào đê thực hiện khóa luận.
1.4.2 Khó khăn
Những phần mềm được sử dụng trong khóa luận đa số đều chưa được giảngdạy trong các môn học của Khoa, phần lớn cần chúng em tự tìm qua các khóa họctrên các trang web trên Internet Ngoài ra phần mềm mô phỏng Advance DesignSystem (ADS) không hỗ trợ việc mô phỏng với công suất phát trên 5 dBm
Trang thiết bi dùng dé đo đạc tại thời điểm ban đầu còn thiếu, chúng em phải
nhờ sự giúp đỡ từ khoa Điện — Điện tử trường Đại học Quốc tế - ĐHQG TPHCM démượn những trang thiết bị đo đạc
Cấu trúc chúng em chọn là cau trúc System in Package (SiP) có kích thước ratnhỏ gọn nên việc chế tạo sản phâm cũng như việc tối ưu về phan hiệu năng còn nhiềuhạn chế Hơn thế nữa việc chỉnh sửa mạch khi phát hiện lỗi rất khó khăn vì linh kiện
có kích thước nhỏ, đồng thời sai số từ linh kiện cũng như các transmission line trênmạch cũng làm cho thiết kế chưa được hoàn chỉnh theo ý muốn
10
Trang 20Chương 2 LY THUYET CƠ BẢN VE RECTENNA
Chương 2 sẽ trình bày về các lý thuyết liên quan đến Rectenna cũng như một
số lý thuyết về các linh kiện có trong các thiết bị RF, bao gồm các thành phần có
trong mạch Rectenna và cách thức Rectenna hoạt động.
2.1 Tổng quan
Rectenna là một thiết bị chuyên đổi sóng điện từ thành điện năng Từ
"rectenna" được tạo ra bằng việc kết hợp hai từ "rectifying" (chỉnh lưu) và "antenna".Rectenna sử dụng công nghệ thu thập năng lượng từ sóng điện từ và chuyền đổi nó
thành dòng điện điện tử Cơ chế hoạt động của rectenna dựa trên nguyên lý của hiệuứng điốt chỉnh lưu, trong đó một mạch chỉnh lưu được sử dụng dé biến đôi sóng điện
từ thành dòng điện một chiều (DC) Bang cách sử dụng một antenna dé thu thập sóngđiện từ, rectenna có khả năng thu nhận năng lượng từ các nguồn song vô tuyến (sóngradio, sóng WiFi) và chuyển đổi chúng thành dòng điện thích hợp cho các thiết biđiện tử Các rectenna thường được thiết kế dé hoạt động ở các tần số cụ thé và có thé
được tùy chỉnh dé phù hợp với các nguồn sóng điện từ cụ thé mà chúng thu thập năng
lượng từ đó Sau khi năng lượng được thu thập, nó có thê được sử dụng để cung cấpnăng lượng cho các thiết bị không dây như cảm biến, thiết bị y tế, thiết bi oT (Internet
of Things) và các thiết bị di động khác Rectenna đã được sử dụng trong nhiều ứngdụng, bao gồm thu thập năng lượng từ sóng vô tuyến để tạo ra năng lượng điện Với
tiềm năng của năng lượng tái tạo và khả năng thu thập và chuyên đồi năng lượng từmôi trường xung quanh, rectenna đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển cácgiải pháp năng lượng tiên tiến và bền vững
Về hiệu suất và thách thức, hiệu suất của rectenna là một yếu tố quan trọng
trong việc triển khai thực tế Nâng cao hiệu suất chuyên đổi của rectenna là một lĩnhvực nghiên cứu đang được quan tâm Thiết kế rectenna có khả năng thu và chuyển
đôi năng lượng hiệu quả trên một loạt tan số rộng là một thách thức do các hạn chế
về điều kiện môi trường và việc suy hao năng lượng cao tần khi truyền tải
Về tần số và thiết kế, Rectenna thường được thiết kế dé hoạt động ở các tần số
cụ thể dựa trên ứng dụng xác định Các thông số thiết kế của rectenna như kích thước,
11
Trang 21hình dang antenna và mạch chỉnh lưu được điều chỉnh dé phù hợp với tần số của sóngđiện từ mục tiêu ban dau Điều này đảm bảo hiệu suất thu và chuyền đổi năng lượng
tối ưu
Trong tương lai, việc nghiên cứu và phát triển liên tục rectenna sẽ đóng vai tròquan trọng trong việc nâng cao hiệu suất, mở rộng dải tần số và cải thiện hiệu suấttổng thé Sử dụng rectenna để thu thập năng lượng mang lại nhiều lợi ích và đượckhuyến khích, bao gồm cải thiện môi trường và đảm bảo an toàn cho người sử dụng
Bang cách thu nhận năng lượng từ các nguồn sóng không dây trong môi trường,
rectenna giúp giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống và giảm lượngkhí thải carbon Nó cung cấp một giải pháp xanh hơn để cung cấp năng lượng chocác thiết bị điện tử và có thể đóng góp vào sự phát triển của các công nghệ tiết kiệmnăng lượng và thân thiện với môi trường Cuối cùng, rectenna mở ra nhiều cơ hộitrong việc phát triển các phương pháp truyền năng lượng không dây, thu năng lượng
và các giải pháp năng lượng bền vững Việc tiếp tục nghiên cứu và tiến bộ công nghệ
dự kiến sẽ tăng cường hiệu suất, mở rộng ứng dụng và thúc đây sự đổi mới trong lĩnh
vực này.
2.2 Cấu trúc chung của Rectenna
2.2.1 RF Components
2.2.1.1 RF Inductor
RF Inductor, còn được gọi là cuộn cam tần số vô tuyến, là một loại cuộn cảm
được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong các ứng dụng tần số vô tuyến (RF) Chức năng
chính của cuộn cảm RF là tạo ra một trường từ để tương tác với các tín hiệu RE Nó
có khả năng tạo ra một trường từ mạnh hơn hay yếu hơn tùy thuộc vào giá trị củacuộn cảm và hệ số self - resonance Cuộn cảm RF thường được sử dụng để điều chỉnhtần số, lọc tín hiệu, phối hợp trở kháng Cuộn cảm RF thường được làm từ một dâydẫn xoắn lại thành hình cuộn Vật liệu dây dẫn thường là đồng hoặc bạc, và cách xoăn
dây cũng có thé thay đối tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng cụ thé., và điều chỉnh
độ nhạy trong các hệ thống RF
Cuộn cảm RF có một số đặc điểm khiến chúng phù hợp với các ứng dụng RF:
12
Trang 22— Chỉ số chất lượng cao (Q): Chỉ sỐ Q đại diện cho hiệu suất của một cuộn cảm
trong việc lưu trữ và giải phóng năng lượng Cuộn cảm RF được thiết kế cógiá trị Q cao để lưu trữ và duy trì năng lượng với độ that thoát tối thiểu Day
là một chi số đo lường hiệu suất của cuộn cảm và cho biết nó có thé phản ứng
và cộng hưởng tốt ở một tần số cụ thê
— Tần số tự cộng hưởng cao (SRF): Tần số tự cộng hưởng là tần số mà độ tự
cảm cộng hưởng với điện dung ký sinh của thành phần Cuộn cảm RF đượcthiết kế với giá trị SRF cao dé đảm bảo hiệu suất tối ưu ở các tần số cao hơn
— Kích thước nhỏ gọn: Cuộn cảm RF thường được thiết kế nhỏ gọn và nhỏ gọn
dé đáp ứng yêu cầu của các thiết bị và mạch RF thu nhỏ
— Dung tích điện ký sinh thấp: Cuộn cảm RF được thiết kế dé giảm thiểu dung
tích điện ký sinh, có thé anh hưởng xấu đến hiệu suất của mach RF bằng cáchtạo ra sự kết nối tín hiệu không mong muốn
Các loại cuộn cam RF pho bién bao gom cuộn cam dây, cuộn cam chip, cuộncảm nhiều tầng và cuộn cảm màng mỏng Những cuộn cảm này được sản xuất bằngcác kỹ thuật và vật liệu chuyên dụng dé đáp ứng yêu cầu của các ứng dung RF, như
hoạt động tần số cao, mat công suất thấp và hiệu suất ôn định.
Cuộn cảm RF đóng góp vào việc giảm nhiễu trong các mạch RF thông qua
một số cơ chế:
— Lọc tín hiệu RF: Cuộn cảm RF thường được sử dụng kết hợp với các tụ dé tao
thành mach cộng hưởng hoặc bộ loc Những mach này cho phép lựa chọn các
tần số cụ thé dé truyền qua trong khi giảm dần các tần số khác Bằng cách thiết
kế đúng tần số cộng hưởng và băng thông của mạch, cuộn cảm RF có thé giúp
lọc bỏ các tín hiệu nhiễu không mong muốn và cải thiện tỷ lệ tín hiệu so với
nhiễu.
— Phối hợp trở kháng: Phối hợp trở kháng rat quan trọng trong các mạch RF dé
dam bảo chuyền đổi công suất tối đa và giảm thiểu hiện tượng phản xạ tínhiệu Cuộn cam RF, cùng với các thành phần khác như tụ, được sử dụng dé
13
Trang 23phối hợp trở kháng giữa các đoạn mạch khác nhau Phối hợp trở kháng đúng
cách giúp giảm thiểu phan xa tín hiệu và giảm thiểu nhiễu
— Cách ly tín hiệu: Cuộn cảm RF có thể được sử dụng như một phần của mạng
cách ly để cách ly các thành phần nhạy cảm khỏi các nguồn nhiễu Bằng cáchtạo ra một đường đi có điện trở thấp đến mặt phăng đất cho nhiễu tần số cao,cuộn cảm RF giúp ngăn nhiễu từ việc kết nối vào các phần quan trọng củamạch Cuộn cảm RF có thé cách ly giữa các đoạn mạch khác nhau, ngăn nhiễu
từ đoạn này đến đoạn khác Bằng cách kiểm soát luồng tín hiệu RE và ngănchặn sự kết nối không mong muốn, cuộn cảm RF giúp duy trì tính toàn vẹncủa tín hiệu và giảm thiêu nhiễu
Tổng quát, cuộn cảm RF đóng vai trò quan trong trong việc giảm nhiễu bằng
cách lọc bỏ các tần số không mong muốn, phối hợp trở kháng, cách ly các thành phần
nhạy cảm và cách ly tín hiệu Những chức năng này giúp cải thiện chất lượng tín hiệu,
giảm thiểu nhiễu và nâng cao hiệu suất tổng thể của các mach RF Cuộn cảm RF được
sử dụng trong các mạch RE khác nhau, bao gồm bộ lọc RF, mạng phù hợp điện trở,mạch rung, khuếch đại RF va dao động RF
14
Trang 242.2.2 Diode
RE diode, là một thiết bị bán dẫn được thiết kế đặc biệt để hoạt động ở tần số
cao trong dải tần số vô tuyến Nó được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau trong
mach RF và vi sóng, bao gồm phát hiện tín hiệu, trộn tín hiệu, điều chế và chuyền đôitần số
Dưới đây là một số đặc điểm và tính năng chính của RE diode:
— Dai tần số rộng: RF diode được thiết kế đề hoạt động trong dải tần số vô tuyến,
thường từ vai megahertz (MHz) lên đến vài gigahertz (GHz) Chúng được tối
ưu hóa cho hiệu suất tần số cao và có thời gian phản hồi nhanh
— Phi tuyến: RF diode là các thiết bị phi tuyến, có nghĩa là đặc tính dòng
điện-điện áp (I-V) của chúng không tuyến tính Chúng có mối quan hệ phi tuyến
giữa điện áp áp dụng và dong điện tương ứng Đặc tính phi tuyến này cho phép
RF diode thực hiện các chức năng như chuyên mạch, điều chế và trộn tín hiệu
— Tốc độ chuyên mạch nhanh: RF diode được thiết kế dé có tốc độ chuyền mạch
nhanh, cho phép chúng phản ứng nhanh chóng với sự thay đổi trong điện áphoặc tín hiệu được áp dụng Đặc điểm này quan trọng cho các ứng dụng nhưphát hiện tín hiệu hoặc điều chế
— Giá trị tụ kí sinh thấp: RF diode thường có giá trị tụ kí sinh thấp, điều này quan
trọng cho hoạt động tần số cao Giá trị tụ kí sinh thấp làm giảm ảnh hưởng lên
tín hiệu RF, đảm bảo truyền và thu tín hiệu hiệu quả.
— Độ nhiễu thấp: RF diode được thiết kế để có mức độ nhiễu thấp dé duy trì tính
chính xác của tín hiệu Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống RF vìnhiễu có thé làm giảm hiệu suất tong thé
RF diode đóng vai trò quan trọng trong các mạch RF, cho phép xử lý tín hiệu
và chuyển đổi tần số Loại cu thé của RF diode được sử dụng phụ thuộc vào yêu cầu
ứng dụng, dải tân sô và các đặc điêm hiệu suât mong muôn.
2.2.3 Matching - circuitMach Matching circuit trong RF (Radio Frequency) đề cập đến một mạng lưới
các thành phân, thông thường là các giá tri trở, tụ và cuộn cảm, được sử dụng đê điêu
15
Trang 25chỉnh điện trở của một tải hoặc nguồn dé phù hợp với điện trở của đường truyền hoặccác thành phần khác được kết nối trong một hệ thống RF Mục đích của các mach
phối hợp trở kháng là tối đa hóa chuyên đổi công suất, giảm thiểu hiện tượng phan
xạ tín hiệu và tối ưu hóa hiệu suất tổng thé của mach RF Matching circuit rat quantrong trong các hệ thống RF do việc không phối hợp trở kháng thường xảy ra giữacác thành phần khác nhau Khi điều đó xảy ra, một phần của tín hiệu RE có thê bịphan xa lại, dẫn đến mat tín hiệu, giảm chuyên đổi công suất và có thé tăng nhiễu
Có hai loại Matching circuit phố biến:
— Lumped component matching: Nhằm điều chỉnh điện trở của tải và nguồn dé
điều chỉnh trở kháng của đường truyền hoặc các thành phần khác được kết nói
Mục tiêu là giảm thiểu độ lớn của tín hiệu và chuyên đổi công suất được hiệuquả Lumped component matching được thiết kế bang cách sử dụng các thành
phân như cuộn cảm, tụ và biên áp.
— Stub matching: Là kỹ thuật được sử dụng đề phối hợp trở kháng tại một tần số
cụ thể bang cách thêm vào một đoạn đường truyền ngắn mạch hoặc hở mạch
16
Trang 26được gọi là Stub Chiều dai và vị trí của mảnh được điều chỉnh dé loại bỏ sóng
phản xạ.
Connector
Dé thiét ké va trién khai cu thé một mach phù hop, can phụ thuộc vào các yếu
tố như tần số hoạt động mong muốn, điện trở của tải và nguồn, đặc tính của đường
truyền và yêu cầu tổng thé của hệ thống Một số kỹ thuật nâng cao, chang hạn nhưphân tích đồ thi Smith và bộ phân tích mạng, thường được sử dụng dé tối ưu hóa vàđạt được việc phối hợp trở kháng như mong muốn
Bằng cách chọn giá trị điện trở đúng cách, một matching circuit sẽ đảm bảo
chuyền đổi công suất hiệu quả, giảm thiêu hiện tượng phản xa tín hiệu và tối da hóahiệu suất của các hệ thống RE, dẫn đến cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống, chấtlượng tín hiệu RE và giảm thiêu nhiễu.
2.2.4 Diode rectifier
Mạch chỉnh lưu là mạch điện tử chuyên đôi dòng điện xoay chiều (AC) thành
dòng điện một chiều (DC) Nó thường được sử dụng trong nguồn cung cấp điện vàcác thiết bị điện tử khác dé chuyền đổi điện áp AC từ nguồn cấp, như lưới điện, thànhđiện áp DC phù hợp đề cung cấp năng lượng cho các thành phần điện tử
Chức năng cơ bản của mạch chỉnh lưu là cho phép dòng điện chảy theo một
hướng trong khi ngăn nó chảy theo hướng ngược lại Điều này được thực hiện bằng
cách sử dụng các diode, là các thành phần điện tử dẫn dòng điện theo một hướng vàhoạt động như van một chiều cho dòng điện
17
Trang 27Một số loại mạch chỉnh lưu như:
Mach chỉnh lưu nửa chu kỳ: Mạch này sử dụng một diode duy nhất dé chỉnhlưu điện áp đầu vào AC Nó cho phép nửa chu kỳ dương của điện áp AC điqua, trong khi chặn nửa chu kỳ âm Đầu ra của mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ làmột điện áp DC với tần số gấp đôi so với điện áp AC đầu vào
Mạch chỉnh lưu ba pha: Loại mạch chỉnh lưu này được sử dụng dé chuyén đôi
điện áp ba pha AC thành điện áp DC Thông thường, nó sử dụng sáu diode
được sắp xếp theo cau hình cầu dé chỉnh lưu điện áp ba pha AC Mạch chỉnhlưu ba pha thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp yêu cầunguồn cung cấp DC công suất cao
Mạch chỉnh lưu đóng vai trò rất quan trọng trong nhiều thiết bị điện tử và hệthống điện Chúng cung cấp điện áp DC cần thiết dé hoạt động đúng của các
thành phần điệntử và các thiết bị điện tử công nghệ cao Lựa chọn mạch chỉnh
lưu phụ thuộc vào các yếu tổ như điện áp DC yêu cau, yêu cầu công suất và
mức độ sóng điện áp mong muôn trong đâu ra.
18
Trang 282.3 Hoạt động của Rectenna
Hoạt động của một rectenna có thé được giải thích qua các bước sau:
Nhận tín hiệu antenna: Antenna của rectenna được thiết kế dé thu sóng cao tần
ở một tần số cụ thê Khi các sóng này mang năng lượng, va vào antenna, chúngtạo ra một tín hiệu dòng điện xoay chiều (AC) trong antenna
Chỉnh lưu (Rectification): Tin hiệu RF được tao ra bởi antenna sau đó được
đưa vào một mach chỉnh lưu (rectifier) Mạch chỉnh lưu thường bao gồm cácdiode cho phép dòng điện đi theo một hướng duy nhất
Chuyên đôi thành dòng điện một chiều (DC): Tín hiệu dòng điện xoay chiềuđược chuyền thành tín hiệu dòng điện một chiều (DC) thông qua việc chuyểnmạch của các diode Các diode cho phép các nửa chu kỳ dương của tín hiệu
RF đi qua trong khi chặn các nửa chu kỳ âm.
Lọc và làm mượt (Filtering and Smoothing): Đề có được điện áp đầu ra DC
ồn định hơn, ta sử dụng mạch lọc và làm mượt Mạch này thường bao gồm tụ
điện và cuộn cảm giúp loại bỏ bat kỳ thành phan RF còn lại hay sóng từ tín
hiệu DC Kết quả là một điện áp DC tương đối 6n định
Đầu ra điện áp DC: Tín hiệu DC đã được lọc và làm mượt sau đó có thể được
sử dụng dé cung cap năng lượng cho các thiết bị điện tử hoặc được lưu trữtrong pin hoặc tụ điện dé sử dụng sau này
19
Trang 29Rectenna đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng truyền năng lượng không dây, nơi
tín hiệu RF hoặc sóng vô tuyến có thé được chuyền đổi thành điện dé cung cấp năng
lượng cho các thiết bị từ xa hoặc di động Chúng cũng có thé được sử dụng cho việc
thu thập năng lượng và chuyên đổi năng lượng RF hoặc sóng vô tuyến thành điệnnăng có thê sử dụng
Hiệu suất của rectenna có thé thay đổi tùy thuộc vào các yếu tố như tần số của
sóng vô tuyến, thiết kế mạch chỉnh lưu và phối hợp trở kháng giữa antenna và mạch
chỉnh lưu Ngoài ra, rectenna thường được thiết kế và tối ưu cho các dai tần số cụ thé
đê đạt hiệu suât cao.
20
Trang 30Chương 3 LÝ THUYET CƠ BAN CUA CAU TRÚC SIP
Nội dung chương 3 trình bày những lý thuyết về cau trúc System - in - Package(SiP), tổng quan về kiến trúc, so sánh cấu trúc SiP với các công nghệ đóng gói khác
cũng như nói về những lợi ich cũng như ứng dụng của cấu trúc SiP trong thời giangần đây
3.1 Tổng quan
System in Package (SiP) là công nghệ đóng gói mạch tích hợp (IC) kết hợpnhiều thành phần và hệ thống điện tử vào một thiết bị duy nhất Công nghệ này baogồm việc tích hợp các chức năng khác nhau như vi xử lý, chip bộ nhớ, cảm biến, biến
áp và các thành phần điện tử khác vào một hình dạng nhỏ gọn
SiP khác biệt so với các phương pháp đóng gói truyền thống, trong đó các chipriêng lẻ được gắn lên một bo mach in (PCB) Trong SiP, các thành phần được xếp
chồng theo chiều dọc hoặc chiều ngang, cho phép tăng mật độ và cải thiện hiệu suất
trong một diện tích nhỏ Lợi ích chính của SiP là mức độ tích hợp cao hơn, dan đến
tiêu thụ điện năng giảm, tăng cường tính toàn vẹn tín hiệu và nâng cao hiệu suât tông
my
thé của hệ thống
Multi-Chip Systemin 2.5D-IC 3D-IC Heterogeneous Integration
Module Package pe Module „ (Silicon Embedded High-Density (chipon (Disaggregated SoC)
(MCM) (SiP) odule interposer) Bridges RDL/FOWLP Wafer) Photonics
a 2 Š ° = = = 2
1980 1990 1998 2005 2008 2014 2016 2018 Now
Hình 7: Lich sử của các dạng đóng gói [22]
3.2 Phân loại công nghệ đóng gói
System in Package (SiP) va đóng gói 2.5D/3D là hai phương pháp khác nhau
dé tích hợp nhiều thành phan trong hệ thống điện tử Dưới đây là một so sánh giữaSiP và đóng gói 2.5D/3D:
21
Trang 31và hiệu suất điện tốt hơn so với SiP Bộ kết nói hoặc TSV cho phép tích hợp các thành
phân như tụ điện đê cải thiện việc cung câp nguôn điện.
22
Trang 32e Bump
« Microbump
— Through Si Via (TSV)
Hình 9: Dang đóng gói 3D [24]
3.2.3 Công nghệ System in Package side — by — side :
SiP là công nghệ đóng gói mạch tích hợp (IC) trong đó nhiều thành phan va
hệ thống điện tử được tích hợp vào một thiết bị duy nhất Gói SiP thường bao gồm
việc xếp chồng các thành phần theo chiều ngang hoặc chiều dọc trên một mạch in,
tạo ra một hình dạng nhỏ gọn Công nghệ cho phép mật độ tích hợp cao, tiêu thụ điện
năng giảm, tính toàn vẹn tín hiệu cải thiện và hiệu suất tổng thé tăng cường Tuynhiên, SiP thường có mật độ kết nối thấp hơn so với các kỹ thuật đóng gói 2.5D/3D
23
Trang 333.3 Loi ích của công nghệ System - in - Package (SiP)
vé lý do nhóm em chọn sử dung công nghệ System — in — Package (SiP), côngnghệ trên đã mang đến nhiều lợi ích như:
Thu nhỏ kích thước: SiP cho phép tích hợp nhiều linh kiện vào một thiết bịduy nhất, giảm kích thước và trọng lượng tổng thé của hệ thống Điều này đặc
biệt có lợi cho các thiết bị nhỏ gọn như điện thoại thông minh, thiết bị đeo vàcác thiết bị IoT
Hiệu suất tối ưu: Bằng cách đặt nhiều linh kiện gần nhau, SiP giảm khoảng
cách truyền tín hiệu, giảm thiểu mat mát tín hiệu và cải thiện hiệu suất hệ
thông Nó cũng cho phép tăng tốc độ truyền giữa các thành phan tích hợp, dẫnđến tốc độ hệ thống tổng thê được cải thiện
Kết nối mật độ cao: SiP cho phép kết nối mật độ cao giữa các thành phần, cho
phép truyền dữ liệu hiệu quả và giảm độ trễ truyền tín hiệu Các công nghệ kếtnối tiên tiễn như fine-pitch flip-chip bonding, microbumps và redistribution
layers được sử dụng dé đạt được kết nối mật độ cao và khắc phục các thách
thức liên quan đến tính toàn vẹn tín hiệu, cung cấp nguồn điện
Tiết kiệm năng lượng: SiP có thé tích hợp nguồn trực tiếp vào thiết bị, tối ưuhóa việc tiêu thụ năng lượng Điều này rất quan trọng đối với các thiết bị hoạtđộng bằng pin, nơi tiết kiệm năng lượng là yếu tố quan trọng
Tích hợp hệ thống dé dàng: SiP tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp các
chức năng khác nhau như vi mach số, vi mạch tương tự và RF trong một thiết
duy nhất Tích hợp này đơn giản hóa thiết kế hệ thống, giảm độ phức tạp của
các kết nối
Giảm thời gian đưa sản phẩm ra thị trường: SiP cho phép chu kỳ phát triểnnhanh hơn bằng cách tích hợp nhiều thành phần từ các nhà cung cấp khác nhauvào một thiết bị Điều này giảm nhu cầu về sắp xếp PCB và đơn giản hóa quản
lý chuỗi cung ứng.
24
Trang 343.4 Ung dụng của công nghệ System — in — Package (SiP)
Công nghệ System-in-Package (SiP) được áp dung trong nhiều ngành công
nghiệp và thiết bị điện tử khác nhau Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của cấu
trúc SiP:
— Thiết bị di động: Cấu trúc SiP được sử dụng rộng rãi trong điện thoại thông
minh và các thiết bi di động khác, cho phép tích hợp nhiều thành phần như bộ
xử lý, bộ nhớ, mô-đun RF và cảm biến vào một thiết bị nhỏ gọn, giúp tạo racác thiết bị đi động hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng
— Thiết bị đeo : Cau trúc SiP phù hợp cho các thiết bi đeo như đồng hồ thông
minh, thiết bị theo dõi sức khỏe và kính thông minh Nó cho phép tích hợp các
chức năng khác nhau bao gồm cảm biến, vi điều khiển, mô-đun giao tiếp không
dây vào các thiết bị có hình dạng nhỏ gọn
— Thiết bị Internet of Thin gs (IoT): Cấu trúc SiP được sử dụng rộng rãi trong các
thiết bị IoT nhờ khả năng tích hợp nhiều thành phần vào một thiết bị Nó chophép tích hợp vi điều khiển, mô-đun giao tiếp không dây (ví dụ: WiFi,
Bluetooth, LoRa), cảm biến, tạo ra các giải pháp IoT nhỏ gọn và tiết kiệm năng
lượng.
— Hệ thống điện tử ô tô: Câu trúc SiP được áp dụng trong các hệ thống ô tô dé
hỗ trợ cho các ứng dụng như hệ thong hỗ trợ lái (ADAS) SiP cho phép tichhợp nhiều thành phần khác nhau trong các hệ thống 6 tô có kích thước nhỏ
— Hàng không và Quốc phòng: Cấu trúc SiP được sử dụng trong các ứng dụng
hàng không và quốc phòng, nơi kích thước, trọng lượng và hiệu suất đóng vai
trò quan trọng SiP cho phép tích hợp bộ xử lý, bộ nhớ, mô-đun giao tiếp, cảmbiến vào các thiết bị nhỏ gọn cho hệ thống avionics, hệ thống radar và các
phương tiện bay không người lái (UAV).
— Tự động hóa công nghiệp: Cấu trúc SiP được áp dụng trong thiết bị tự động
hóa công nghiệp, bao gồm robot, hệ thống điều khiển và mạng cảm biến Nócho phép tích hợp các đơn vị xử lý, bộ nhớ, giao diện giao tiếp và giao diện
25