Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Thiết kế, chế tạo và đo đạc Rectenna hai băng tần và đề xuất cấu trúc vi mạch của mạch chỉnh lưu dựa trên công nghệ 0.18 µm RF CMOS

DANH MỤC TỪ VIET TATViếttắt | Viết day đủ Ý nghĩa ADS Advanced Design System Phần mềm của Keysight Complementary Metal-Oxide | Công nghệ dung đề chế tạo mạch CMOS Semiconductor tich hop

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TINH

VŨ NGỌC ANH HÀ

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

THIET KE, CHE TAO VA ĐO DAC RECTENNA HAI BANG TAN VA DE XUAT CAU TRUC VI MACH CUA

MACH CHỈNH LƯU DỰA TREN CONG NGHỆ 0.18 pm

RF CMOS

DESIGN, FABRICATION AND MEASUREMENT OF A BAND RECTENNA AND A PROPOSAL OF RECTIFIER IC STRUCTURE BASED ON 0.18 im RF CMOS PROCESS

DUAL-KY SU NGANH DUAL-KY THUAT MAY TÍNH

TP HO CHÍ MINH, 2021

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TÍNH

VŨ NGỌC ANH HA - 17520424

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

THIET KE, CHE TẠO VÀ ĐO DAC RECTENNA HAI BANG TAN VA ĐÈ XUẤT CÁU TRÚC VI MẠCH CUA MẠCH CHỈNH LƯU DỰA TREN CÔNG NGHỆ 0.18 pm

RE CMOS

DESIGN, FABRICATION AND MEASUREMENT OF A BAND RECTENNA AND A PROPOSAL OF RECTIFIER IC

DUAL-STRUCTURE BASED ON 0.18 um RF CMOS PROCESS

KỸ SƯ NGANH KY THUAT MAY TÍNH

GIANG VIEN HUONG DAN

TS TRINH LE HUY

TP HO CHi MINH, 2021

THONG TIN HOI DONG CHAM KHÓA LUẬN TOT NGHIỆP

Hội đồng chấm khóa luận tốt nghiệp, thành lập theo Quyết định số 466/QD-DHCNTT

ngày 23 tháng 07 năm 2021 của Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghệ Thông tin.

Em đặc biệt muốn bày bỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Trịnh Lê Huy,

người đã không ngần ngại tận tình giúp đỡ và dẫn dắt em hoàn thành khóa luận

này Em xin cảm ơn Thạc sĩ Nguyễn Minh Thiện — giảng viên trường Dai học

Quốc Tế, ĐHQG TPHCM đã giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và đo đạc

sản phẩm.

Ngoài ra, trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài em muốn gửi lời cảm ơn đến bạn bè và người thân, những người đã dành sự quan tâm, góp

ý, hỗ trợ tỉnh thần trong suốt quá trình làm khóa luận.

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn đến tất cả những người đã dành thời gian, công sức giúp đỡ 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 thầy cô giáo để khóa luận của em được hoàn thiện hơn.

Vũ Ngọc Anh Hà

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu 222cvc++retttErrkrrrrrrrrrrrrrrrree §

1.4 Thuận lợi và khó khăn.

2.1.3.2 Kết quả mô phỏng của Rectifier -¿222ccceccvszcecrr 21

2.2 Do đạc Rectentna cscccscssessessesesseseeeeseeesseeseseeseeeseeseeeeseeeeeeseeeaeeeeeeesaee 21

2.2.1 Kết quả do đạc Antenna -cccc++22222vvvcvrrrrccrrvsrrrrrrrrer 23

2.2.2 Kết quả đo đạc Rectifier 2cccc22cvvcrrecrktrrrrrrrrrrrrrrrve 26 2.3 Khảo sát và ước lượng khoảng cách từ rectenna đến nguồn phát 28 Chương 3 CÁC LÝ THUYET CƠ BẢN VE CMOS - c5-cc¿ 31 3.1 Khái niệm cơ bản về ngành công nghiệp bán dẫn - 31

3.1.1 Semiconductor Doping c5+5c+ccccsccceexerereee 31

3.1.2 Carrier Mobility -5 St 31 3.1.3 PN Junction

3.2 Lý thuyết cơ bản về CMOS sssccsssssssssssssesscsssssessssssscesssssscesssssscessssescesssesees 35 3.2.1 Cấu tạo của MOSFET.

3.2.2 MOS I/V CharacteristiCs -5 555cc 36

3.2.2.1 Điện áp ngưỡng

3.2.2.2 Vùng hoạt động 6s sxcskeeeieereerirrrrrrrrrrrrerev.Ô 3.2.2.3 Body Effect

3.3 Một số layout effect c.ccssesscssssesscssssscscsssuesesssssecssssucessssuscesssusscessseeeeesseeeee 43

3.3.1 Lafch-up 8 s.unữ ” àìì.eee 43 3.3.1.1 Định nghĩa latch-up -c-5cc++cccersrrerrrrrerrreerver 43

3.3.1.2 Hình thành latch up -:-¿ - + s<5+s++cseexerereererrrereee 43

3.3.1.3 Phân tích cách hoạt động latch-up -. -s -«ex+x+ececexeee 44 3.3.1.4 Ngăn chặn latch-up ¿-:- 55+ +c+stztsrerererrkerererrrree 45

3.3.2 Thành phần ký sinh (parasitic element) -cc 46

3.3.2.1 Định nghĩa ký sinh - + - cư 46 3.3.2.2 Hình thành ký sinh ¿6 St 46 3.3.2.3 Phân tích cách hoạt động ký sinh -. -+ +-+-cc-# 47 3.3.2.4 Ngăn chặn ký sinh «+ -ccscserererrrrerrrrirerirrree 48

3.3.3 Vấn dé STI (Shallow Trench Isolation) -«« 49

3.3.3.1 Định nghĩa STI cc5ccccctererierrirrriererrerrree 49

3.3.3.2 Phân tích vấn để của STI -ccccccccerrrrrrrrrrrrrrrrrrree 50

3.3.3.3 Ngăn chặn STI stTess - 5S 50

Chương 4 THIẾT KE CMOS RECTIFIER -¿£©zz222ssce2 52

4.1 Tổng quan 22+++22E22+22223122221311222211121221112221112211 ccrrkkr 52 4.2 Cấu trúc diode cccccctthhhHHHHH He 52 4.2.1 Diode connected mosfet tiêu chuẩn 2 -2¿©2c¿22+z22zzeccz+ 53 4.2.2 Cấu trúc diode được sử dụng trong khóa luận - 55

4.3 Cấu trúc CMOS Rectifier - 22222222 2222111 rrrrrrrrree 57

4.3.1 Rectifier Circuit tiêu chuẩn ccccccccrrerrrrrrre 57

4.3.2 Self-Vth-Cancellation Rectifier Circuit - 59 4.4 MIMCAP va MOSCAP

44.1 MIMCAP ccccsssssssssssscsesssssssssssssssssssseessesessssssteiesitusissssssssssssnessseeeees 60

442 — MOSCAP ccscssssssssccssssssssssssssssssssnsssceesssesessssessecsssssssssssssssssssssseeeeee 61

BAB So Sdmbrecccssssssssccssssttuvvcssssssssssssssscbessssssssscsssssessssssssssssssssssssssssssssssseees 61

4.5 Mô phỏng CMOS Rectifier -.cccccccsssssssssvssssssssussessssessesussssssssssnsesssnsseeeee 62

4.5.1 _ Không sử dung cuộn cảm ngoài.

4.5.2 Sử dụng cuộn cảm ngoài - 2 +5++c+csesrerrteesrererered 69 4.6 Layout CMOS RectifÏer - 5+5: tr ườn 75 4.6.1 LaYOUL Ă Ăn HH ưu 75

4.6.2 Chuẩn bị tiến hành post-simulation ¿cz25scz++ 83 Chương 5 KÉT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIẺN - -:- 85 TÀI LIEU THAM KHAO .sessscsssssssssssssssccsssssenecscecssnnnneseccecsssnteessecsssniseseeeesnnneeess 88

PHU LUC I CÁC KHÁI NIEM CO BAN TRONG THIET KE ANTENNA 1 PHU LUC II SỬ DUNG CÔNG CU CADENCE VIRTUOSO PHỤC VU CHO

VIEC LAYOUT SCHEMATIC cssessssssssssessnsessseeesseeessseessneeesneeesnseesuneesneessneeesneees 3

PHU LUC II SU DUNG CÔNG CU ADS PHUC VU CHO VIỆC MO PHONG

VA ĐÁNH GIA MACH SAU LAYOUT we eesssesssssssesssssssessssssseessssssesssssseccsssieessssieeeess 8

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: IoT giúp phát triển thành phố thông minh -:+¿-22vcvc+2 4 Hình 1.2: ToT ứng dụng trong y tẾ -.¿-:©22++22EE++++22E2++tSEEESEvttEEExrrrtrrkerree 4

Hình 1.3: Việc nạp hoặc thay thế pin là một vấn đề của WSNs hiện NAY 5

Hình 2.1: Cấu trúc của antenna -:+-222V222+++22222EYYY2+rtttEEEEExrrrrrrrrrrrrrer 1 Hình 2.2: Cấu trúc của hệ thống RF energy harvester c csssscsssssssssssssssescessseescessees 2 Hình 2.3: Voltage dOubleT ¿- - ¿5c <1 + 9EEEEkEkE12 1212121111111 0111 1 111101 1 vê 2 Hình 2.4: Các cấu trúc diode khác -:::::::+¿¿222222£EEEEktrttrtrrrrrrrrrrrrrrrrrrree 3 Hình 2.5: Package model SMS — 7630 .-¿- ch ng it 3 Hình 2.6: Cấu trúc của mach dual-band reCtIfTer - + se sexsxsxevstxxerexsee 6 Hình 2.7: Mô phỏng hệ số phan xạ của antenna -¿¿-+22+zz++2zsscez 7 Hình 2.8: Mô phỏng current distribution của antenna - ¿+5 ++s+s+s+xe+ 8 Hình 2.9: Mô phỏng thay đổi hệ số phan xa tai 925 MHz -: ¿ 9

Hình 2.10: mô phỏng thay đổi hệ số phản xạ tại 2450 MHz - 9

Hình 2.11: Kết qua mô phỏng hiệu suất của antenna -cz£22cs+ 20 Hình 2.12: Mô phỏng PCE của reCtifieT -++5- 55+ 5+ S+>++x+ecrerrerreree 21 Hình 2.13: Mạch thực tẾ -22-2222+++222222222222112222211112222111222111 2211122221 Xe 22 Hình 2.14: Keysight E5071C ENA Vector Network AnalyZer - 2

Hình 2.15: Do đạc antenna tại phòng do anechoic chamber - - 23

Hình 2.16: So sánh mô phỏng và đo đạc hệ số phản xạ của antenna 24

Hình 2.17: So sánh mô phỏng và đo đạc hiệu suất của antenna - - 24

Hình 2.18: So sánh mô phỏng va đo đạc normalized radiation pattern 25

Hình 2.19: So sánh mô phỏng và đo đạc hệ số phan xạ của rectifier 27

Hình 2.20: So sánh mô phỏng va đo đạc hiệu suất của rectifier - - 27

Hình 2.21: Điện áp ra của T€CfiŸÏ€T - - ¿5c 11k E1 H010 H01 01 121 uy 27 Hình 3.1: Lớp tiếp giáp p-n -ccccc2cccvvxvrrrerrrrrrrtrerrrrrrrrrrrrcerrrrr 32)

Hình 3.2: Hình thành vùng nghèo giữa lớp tiếp giáp p-n - 33

Hình 3.3: Lớp tiếp giáp p-n được phân cực thuận . -.-: z£©szz+ 34 Hình 3.4: Lớp tiếp giáp p-n khi phân cực nghịch 34

Hình 3.5: Cấu trúc của thiết bị MOS 22¿-222222222vEtEEEEtrrrrrrrrrrerrrrrrrrer 35

Hình 3.6: NMOS với p-substrate và PMOS trong n-well -‹-« - Ó

Hình 3.7: Điện áp ở cực gate điều khiển hoạt động dẫn điện của MOSFET 37

Hình 3.8: Hình thành vùng nghèo ¿ - + 252522 2E re 37

Hình 3.9: Hình thành kênh dẫn ¿¿-©2552¿222vvzvstvrxvrrrrxerrrrrrvrrerrrrvcev 37

Hình 3.10: Kênh dẫn của PFET 2¿2222+++222EEEt2EEEEE.2EE.EErrrrrrrrree 38

Hình 3.11: Hoạt động của NMOS sàng hư 40 Hình 3.12: NMOS IDS và VIDS 5 tt HH tờ 41 Hình 3.13: PMOS trannsiS(OT - - 5-2 222321912 2121217111111 E111 41 Hình 3.14: NMOS với điện áp tại cực bulk Am + ++++x+c+xererexecee 42

Hình 3.15: Thay đổi vùng nghèo với điện áp cực bulk : -:c-ssc2 43

Hình 3.16: Sự hình thành latch up trong mạch CMOS -. - - + 44

Hình 3.17: Mạch SCR mô phỏng hiện tượng latch up „44

Hình 3.18: Cách hoạt động cua latch up 4

Hình 3.19: Mạch inverter với cấu trúc guard ring 6

Hình 3.20: Guard ring trong CMOS 6 Hình 3.21: Mô hình điện trở và tụ điện ký sinh „47

Hình 3.22: Post-layout và Pre-ÏayOUI ¿+ 5+ S+S‡k+k‡‡EEkeErkskrkrrrrrrrrree 47 Hình 3.23: Cân bằng giữa việc giảm điện trở và tụ điện ký sinh - 49 Hình 3.24: STI xung quanh MOS tranSISfOr 6 +5 Server 49

Hình 3.25: Mô hình thông số STI -.-¿ ¿2V2++++22EE+++22EEESztttrrxrrrrrrrsvee 50 Hình 3.26: Sử dung dummy finger để giảm STI stress : -zc55c+2 51 Hình 4.1: Diode connected MOS transistor tiêu chuẩn . - : - 53

Hình 4.2: Mô phỏng điện áp ngưỡng va dòng rò với VSB - «+ 54

Hình 4.3: Cấu trúc DCM được sử dụng trong khóa luận .- - - + ««-s« 55

Hình 4.4: So sánh cầu trúc DCM tiêu chuẩn và cu trúc đề xuất - 56

Hình 4.5: CMOS rectifier CITCul{ - - 55222 2S 2t2xxverrrkrkerrrerrkerrree 58

Hình 4.6: Cấu trúc self-Vth-cancellation được sử dung trong khóa luận 59 Hình 4.7: Câu tao MIM Capacitor .cssccccssssssssssssessssssscsssssscecsssscesssssecesssusscesssvssea 60

Hình 4.8: Cau tạo của MOS capacitOr ¿-55¿ 22+ c+22xt2Ex2ExeEEerkrrrkerrecree 61 Hình 4.9: Schematic của toàn bộ thiết kế CMOS Rectifier - cccce 62

Hình 4.10: Schematic CMOS rectifier không sử dụng cuộn cảm ngoài 63

Hình 4.11: So sánh PCE CMOS rectifier thiết kế ban đầu, lần 1, lần 2 68

Hình 4.12: So sánh PCE CMOS rectifier lần 2, lần 3, lần cuối 68

Hình 4.13: Schematic CMOS rectifier sử dụng cuộn cảm ngoài - - 69

Hình 4.14: So sánh reflection coefficient có và không có cuộn cảm ngoài 70

Hình 4.15: So sánh PCE CMOS rectifier có và không có cuộn cảm ngoài 71

Hình 4.16: Schematic CMOS rectifier sử dụng cuộn cảm ngoài - - 72

Hình 4.17: Mô phỏng PCE CMOS rectifier cuộn cảm ngoài va frong 72

Hình 4.18: Mô phỏng PCE CMOS rectifier tại một số băng tần 74

Hình 4.19: Quy trình layout mạch công nghệ CMOS (layout flow) 76

Hình 4.20: Schematic CMOS rectifier trên VITfUOSO -cS- se sskssessersee 78 Hình 4.21: Định nghĩa cách kết nối các layer trong pdk180 - 79

Hình 4.22: Định nghĩa cách kết nói các layer của pdk180 trong phan mềm ADS 79

Hình 4.23: Floorplan toàn bộ mach CMOS TectifIer - -. - « «<< s<++ss++ 80 Hình 4.24: NMOS và PMOS sử dụng guard ring và dummy 2 bên 81

Hình 4.25: Kết nỗi giữa NMOS và PMOS + Ss k2 EeEEerkerkrrkrree 82 Hình 4.26: Layout toàn bộ mạch CMOS T€CfIÍI€T - 6 5 + +Esesserseersee 82 Hình 4.27: Kết quả kiểm tra DRC layout mach CMOS rectifier -. 83

Hình 4.28: Kết quả kiểm tra LVS layout mạch CMOS rectifier 83

Hình 4.29: Layout CMOS rectifier phan mềm ADS qua GDSII format 84

DANH MỤC BANG

Bảng 2.1: Thông s6 anfennna - 2-2 ®S£2SEE2E£EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkerkrrkrree 11 Bang 2.2: Thông số SMS — 7630 .scssccssessesssessessessssssessessecsusssessessesssssseesessesanseseeseess 14

Bảng 2.3: So sánh ưu nhược điểm của lumped component va microstrip line 15

Bang 2.4: Thông sỐ reCtii€T + 25s ©S2S£9SEEEEEEEEEEE221E71211211221 71711211211 16 Bảng 2.5: Ước lượng khoảng cách từ rectenna đến nguồn phát 30

Bảng 2.6: So sánh các nghiên cứu sử dung base station làm nguồn phát 30

Bang 4.1: So sánh MIMCAP và MOSCAP Q HH nHHHHnHHHnrrey 61 Bảng 4.2: Thông số các thành phan trong CMOS rectifier với thiết kế ban dau 65

Bảng 4.3: Thông số các thành phan trong CMOS rectifier thay đổi lần 1 65

Bảng 4.4: Thông số các thành phan trong CMOS rectifier thay đổi lần 2 65

Bảng 4.5: Thông số các thành phan trong CMOS rectifier thay đổi lần 3 66

Bảng 4.6: Thông số các thành phan trong CMOS rectifier thay đổi lần cuối 66

Bảng 4.7: Tóm tắt những lần thay đổi thông số và ảnh hưởng của chúng 67

Bang 4.8: Giá trị của mỗi cuộn cảm trong dùng dé mô phỏng wo 72 Bảng 4.9: Giá trị cuộn cảm ngoài tương ứng với hiệu suất và tần sô 74

Bảng 4.10: Thông số các thành phan trong CMOS rectifier -:-s¿2 5+ 75 Bảng 5.1: So sánh Rectenna trong báo cáo với một số nghiên cứu khác 86

DANH MỤC TỪ VIET TAT

Viếttắt | Viết day đủ Ý nghĩa

ADS Advanced Design System Phần mềm của Keysight

Complementary Metal-Oxide | Công nghệ dung đề chế tạo mạch

CMOS Semiconductor tich hop

DCM Diode-connected Mosfet Mosfet hoạt động như diode

DRC Design rule check Quy tắc thiết kế

ERC Electrical Rule Check Kiểm tra nguyên lý điện

HB Harmonic Balance Phương pháp cân bằng sóng hài

loT Internet of Things

LVS Layout vs Schematic So sánh layout va schematic

PCE Power Conversion Efficiency | Hiệu suất chuyên hóa năng lượng

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

SCR Silicon-Controlled Rectifier Thyristor

SMD Surface-mount Device Thiét bi gan trén bé mat

SPICE Simulation Program with Chương trình mô phỏng mach

Integrated Circuit Emphasis tich hop

STI Shallow Trench Isolation

WSN Wireless Sensor Network Hệ thống sensor không dây

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Sự phát triển nhanh chóng của các modules không dây tạo ra rất nhiều tần số

vô tuyến (RF: Radio Frequency) phát ra môi trường như WiFi, 2G, 3G, LTE, Nhờvào khả năng thu thập những tần số vô tuyến này và chuyền hóa chúng thành nănglượng DC sử dụng cho các thiết bị điện tử, rectenna đã và đang tạo được rất nhiều sựchú ý trong phát triển hệ thong truyền tải năng lượng không dây

Đề tài “Thiết kế, chế tạo và đo đạc Rectenna hai băng tần và đề xuất cấu trúc

vi mach của mạch chỉnh lưu dựa trên công nghệ 0.18 um RF CMOS” trình bày hai nội dung chính như sau:

Nội dung 1:

Thiết kế dual-band rectenna Rectenna được thiết kế có kích thướcnhỏ 0.4 x 0.3 x 0.25 cm? và có thé hoạt động tại tần số 925 MHz và 2450 MHz Bởicấu trúc hai hài của antenna, rectifier có thể tối ưu kích thước và bandwidth trong khihiệu suất chuyên hóa năng lượng luôn đạt 60% Kết quả đo đạc cho thấy cấu trúcmetal-rimmed antenna đạt hệ số phản xạ dưới -10 dB cho cả hai băng tần và đạt tổnghiệu suất 47% tại 925 MHz va 89% tại 2450 MHz

Nội dung 2:

Đề xuất cấu trúc IC rectifier dựa trên công nghệ 0.18 um RF CMOS process

Rectifier sử dụng cấu trúc Self-Vth-Cancellation (SVC) với điện áp ngưỡng của

MOSFETs được loại bỏ bằng cách sử dụng trực tiếp điện áp ra của rectifier dé cấpnguồn cho transistor Hơn nữa, nhờ vào việc sử dụng cuộn cảm gan ngoài, rectifier

có thể hoạt động tại nhiều tần số khác nhau từ 0.6 GHz đến 3 GHz ứng với giá tri

thích hợp của cuộn cảm Hiệu suất chuyền hóa năng lượng tại các tần số mà rectifier

có thể hoạt động đạt trên 30%

MỞ ĐẦU

IoT (Internet of Things) và công nghệ không dây đã và đang phát triển vượtbậc và đem lại rất nhiều lợi ích cho cuộc sông của nhân loại Đây chính là xu hướngcủa thế giới, là nhân tố chính của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 hiện nay Tuynhiên, quá trình phát triển hệ thống IoT van còn gặp nhiều khó khăn Điển hình làviệc thay pin/nạp pin cho các sensor nodes, các thiết bị không dây nhỏ, đặc biệt khichúng được thiết kế trong những nơi mà con người khó có thê tiếp cận được Do đó,việc tìm ra phương pháp nạp và thu thập năng lượng có sẵn trong môi trường là việcrất cần thiết hiện nay Với nhu cầu sử dụng công nghệ không dây ngày càng tăng,môi trường xung quanh hiện nay có vô số sóng vô tuyên đang được phát Chính bởi

những lý do trên việc thu thập năng lượng sóng vô tuyến và sạc không dây chính là

giải pháp năng lượng hiệu quả hiện nay Nhờ vào khả năng thu thập năng tín hiệu

sóng RF từ môi trường và chuyên hóa thành năng lượng DC sử dụng cho các thiết bịđiện, rectenna được rất nhiều sự chú ý trong việc xây dựng hệ thống chuyên tải nănglượng không dây Đặc điểm quan trong của rectenna là hiệu suất chuyên hóa RF-to-

DC, và hiệu suất chuyên hóa năng lượng này cần được tôi ưu hóa bang cách sử dung

nhiều cấu trúc hoặc thành phần khác nhau Vì vậy, mục tiêu chính là đảm bảo năng

lượng DC chuyền hóa đạt được tối đa để cung cấp cho tải

Đề tài khóa luận “Thiết ké, chế tạo và đo đạc Rectenna hai băng tần và đề xuấtcau trúc vi mạch của mạch chỉnh lưu dựa trên công nghệ 0.18 um RF CMOS” đề xuấtgiải pháp thu thập năng lượng tín hiệu RF và chuyển hóa năng lượng thu thập đượcthành điện áp cung cấp cho thiết bị Khóa luận có hai mục tiêu với nội dung chính

như sau:

Nội dung 1: Thiết kế, chế tạo va đo đạc Rectenna gồm hai thành phan chính:Antenna và Rectifier Thiết bị có thé hoạt động tại hai băng tần 925 MHz và 2450

MHz với hiệu suất chuyên hóa năng lượng đạt trên 60% cho cả hai băng tần Nội

dung 1 được trình bày theo bài báo công bố khoa học trước đó của nhóm, được đăng

tại tạp chi Electronics (ISSN 2079-9292; CODEN: ELECGJ) [1].

Nội dung 2: Thiết kế mạch chỉnh lưu dựa trên công nghệ CMOS 0.18 um RF.Rectifier có thé tại hoạt động tại nhiều băng tần khác nhau nhờ sử dụng cuộn cảm

ngoài Hiệu suất chuyên hóa năng lượng tại nhiều băng tần đạt trên 30%

Bài báo cáo này được chia thành 5 chương với nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 2: Thiết kế chế tạo và đo đạc RectennaChương 3: Các lý thuyết cơ bản về CMOS

Chương 4: Thiết kế CMOS RectifierChương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 1 TONG QUAN ĐÈ TÀI

4 — Nội dung chương 1 giới thiệu về ngữ cảnh của dé tai, lý dochọn dé tài, dé cập các giải pháp và công trình nghiên cứu có liên

quan, từ đó nêu rõ mục tiêu của khóa luận.

1.1 Tình hình hiện tại

Theo Klaus Schwab [2], cách mạng Công nghiệp 4.0 mang lại làn gió mới cho

nhân loại và là xu hướng của thế giới hiện nay oT va công nghệ không dây đangphát triển một cách vượt bật và là xu hướng hiện nay đang rất được các doanh nghiệp

về công nghệ quan tâm hang dau dé đầu tư và phát triển IoT đã tạo ra nhiều thànhtựu quan trọng như phát triển công nghiệp, y tế, thành phố thông minh, tự động hóa

Hình 1.2: IoT ứng dung trong y tế.

Hình 1.3: Việc nạp hoặc thay thé pin là một vấn đề của WSNs hiện nay

Cùng với sự phát triển ấy, số lượng các thiết bị không dây và các WSNs(Wireless sensor network) cũng tăng lên Số lượng WSNs càng tăng thì nhu cầu vềnăng lượng cung cấp cho các thiết bị hoạt động cũng tăng theo Tuy nhiên, hiện nayviệc cung cấp năng lượng vẫn gặp nhiều trở ngại Điển hình chính là vấn đề với pin,

cụ thê là việc nạp hoặc thay thế, kích thước và trọng lượng Ngoài ra, pin cũng lànguồn rác thải gây ảnh hưởng tới môi trường [3] Vì những vấn đề trên, việc tìm ragiải pháp để vượt qua những hạn chế và mặt năng lượng đang được quan tâm đặc

biệt.

1.2 Giải pháp

Môi trường cung cấp những nguồn năng có san rất tiềm năng so với năng

lượng dự trữ ở pin sạc Vì vậy, thu thập năng lượng từ môi trường là một trong những

giải pháp tốt hiện nay Cơ chế hoạt động cơ bản của thu thập năng lượng từ môi

trường là thu thập, tích lữu, lưu trữ và quản lý năng lượng đó dé chuyên nó thành

năng lượng điện hữu ích cho các mạng cảm biến không dây Việc sử dụng năng lượngthu thập từ môi trường giảm thiểu chi phí bảo trì và vận hành Do đó, các pin trongthiết bị được đặt ở vị trí khó tiếp cận như ứng dụng trong y tế có thé được nạp lại,

làm nhỏ đi hoặc có thể tháo pin trong WSNs cũng như trong các thiết bị điện tử cầm

tay.

Nhiều giải pháp được đặt ra để khắc phục vấn đề về pin sạc như sử dụng pin

có tuổi thọ cao hơn hay sử dụng pin có thé sử dung năng lượng tái tạo như pin nặng

lượng mặt trời, gió, Trong số các giải pháp khả thi, công nghệ sạc không dây taođược rất nhiều sự chú ý hiện nay Không cần bộ sạc dây, an toàn khi sạc pin và có thể

sạc cho các thiết bị có kích thước nhỏ đặc biệt được thiết kế ở những môi trường khắc

nghiệt, công nghệ sạc không dây đã chứng minh được ưu điểm vượt trội của mình so

với các giải pháp khác.

Ngoài ra, cùng với sự phát triển nhanh chóng của các modules không dây tạo

ra rất nhiều tần số vô tuyến (RF) phát ra môi trường như WiFi, 4G, 5G, LTE, Nhờvào khả năng thu thập những tần số vô tuyến này và chuyền hóa chúng thành nănglượng DC sử dụng cho các thiết bị điện tử [4], rectenna đã và đang tạo được rất nhiều

sự chú ý trong phát triển hệ thống truyền tai năng lượng không dây [5]

Gần đây, rất nhiều các thiết kế rectenna được nghiên cứu và phát triển cho

nhiều ứng dụng wireless power transfer Trong bài báo [6], differentially feeding

microstrip patch antenna kết nối với differentially driven rectifier được trình bày.Thiết kế của tác giả đạt 73.9% hiệu suất chuyên hóa năng lượng (PCE: Power

Conversion Efficiency) tai 207 uW/cm2 input power density Trong bài báo [7],

ground plane của antenna sử dung triangular slot dé giữ lại các hài mong muốn Theo

các kết quả được báo cáo, hiệu suất đạt 75.043% tại input power 20 dBm Các bài

báo trên có hiệu suất chuyền hóa năng lượng cao Tuy nhiên, với việc chỉ hoạt động

ở single frequency band sẽ giới han một số ứng dụng

Mặc khác, thiết kế multi-band rectenna chắc chan sẽ thu thập được nhiều

nguồn năng lượng hơn [8-15] Trong bài báo [8], printed monopole antenna hoạt độngtại tần số 900 MHz và 1800 MHz được thu nhỏ bởi meander-lines Rectifier sử dụngdual-stub matching network dé match tín hiệu nhận được từ antenna va rectifier tại

hai băng tần PCE tối đa đạt được 72% tại 900 MHz và 69% tại 1800 MHz Tuy

nhiên, theo kết quả đo đạc cho thấy, antenna matching không đủ tốt va physical

profile của rectenna là hơi cao và điều này sẽ giới hạn một số ứng dụng Trong bài

báo [9], tác gia sử dụng microstrip antenna sử dung differentially driven hoạt động ở

dual frequency band 2400 MHz và 5500 MHz Ở cả hai băng tần, hiệu suất cao nhất

của antenna đạt được khoảng 90% Tuy nhiên, hiệu suất của rectifier đạt 35% tại tần

số thấp và 8% tại tần số cao Ở bài báo khác [10], mạch rectifier có dual-band patch

antenna sử dụng matching network đặc biệt Dual-band matching network được thiết

kế bằng cách kết hợp 4/4 couple line và open stub Thiết kế đạt được hiệu suất 56.3%tại 2460 MHz và 37.8% tại 5440 MHz Tuy nhiên, rectifier cần input power cao déđạt được hiệu suất và điện áp cao hơn và điều này sẽ làm giảm độ nhạy và giới hạn

một sô ứng dụng cân input power nhỏ.

Dual-band monopole antenna bao gồm hai radiating arms cho hai tan số [11]

Longer arm được thiết kế cho GSM900 band va shorter arm được thiết kế choGSM1800 band Mach rectifier sử dụng dual-band matching network bao gồmmultiple sections với một vai transmission lines va stubs PCE dat 64% cho tan số

thấp và 52% cho tần số cao Trong bài báo [12], enhanced-gain antenna được tích

hợp với mach rectifying Four-section matching network được sử dụng dé matchinggitta antenna va rectifier Rectenna dat 63% va 69% PCE lần lượt tại 1.95 GHz va 2.5

GHz.

Circular stub được sử dung là radiating element của antenna [13] Four

symmetrical notches được đặt ở các góc của circular slot của ground plane dé cải

thiện antenna performance Rectifier sử dụng symmetrical matching network.

Symmetrical two-port rectifier kết hợp sử dung microstrip-line theo dang T-junction.Hiệu suất đạt 70% tại 1.8 GHz và 68% tại 2.45 GHz Một ý tưởng khác được báo cáo

trong [14] thiết kế miniature rectenna sử dụng lumped component thay vì microstrip

line Theo kết quả mô phỏng, PCE của rectifier đạt 72% tại 915 MHz và 67% tại 2400

MHz Tuy nhiên, rectifier can input power cao dé đạt được điện áp ra cao hơn Trong

[15], DC voltage đạt 1.8V với rectenna tích hop array antenna Tuy nhiên, kích thước

của rectenna khá lớn vì sử dung 7-stage Dickson multiplier va điều nay cần nhiềudiode Vì vậy, thiết kế này sẽ làm giá thành cao và không phù hợp cho các ứng dụng

nhỏ.

1.3 Mục tiêu và đối tượng

1.3.1 Mục tiêu

Nhìn chung, Rectenna đã và đang nhận được rất nhiều sự quan tâm của thếgiới và cũng đã có những công trình nghiên cứu đạt thành quả nhất định Tuy nhiên,một sô nghiên cứu vẫn còn những hạn chê như việc chỉ hoạt động tại một băng tân,

hiệu suất chuyên hóa năng lượng chưa cao hoặc kích thước tông thể lớn làm hạn

chê một sô ứng dụng cân kích thước nhỏ.

Mục tiêu của nội dung 1:

Rectenna hoạt động được tại hai băng tần với tan số 925 MHz và 2450 MHzAntenna thiết kế với cau trúc metal-rimmed có kết qua return loss dưới -10 dB

Rectifier có hiệu suất chuyên hóa năng lượng đạt trên 50% ở cả hai băng tần

với năng lượng vào thấp.

Kích thước mạch nhỏ.

Mục tiêu của nội dung 2:

Thiết kế mạch chỉnh lưu dựa trên công nghệ CMOS 0.18 pm RF

Mạch có thể hoạt động tại tần số 2.45 GHzHiệu suất chuyên hóa năng lượng đạt trên 25%

Kiểm tra thành công DRC (Design rule check), LVS (Layout vs Schematic).1.3.2 Đối tượng nghiên cứu

Đối với nội dung 1, các đối tượng cần tập trung nghiên cứu chính bao gồm:

Các cơ sở lý thuyết được áp dụng vào thiết kế và chế tạo mạch rectenna, baogồm các nội dung sau: Metal-rimmed Antenna, Rectifier, HB (Harmonic

Balance) va S-parameter.

Cac bước hoàn thiện việc lắp ráp và đo đạc mạch Rectenna

Đối với nội dung 2, các đối tượng được đầu tư nghiên cứu chính bao gồm:

Các cơ sở lý thuyết được áp dụng vào thiết kế cấu trúc vi mạch Rectifier dựa

trên công nghệ 0.18 um RF CMOS, bao gồm các nội dung sau đây: khái quát

về công nghệ CMOS va CMOS Rectifier, cau trúc SVC, đặc tính các linh kiện

sử dụng trong thiết kế, và các hiệu ứng layout trong thiết kế Analog/RF

e - Nội dung thư viện gpdk180_v3.2 thuộc 0.18 um RF CMOS cung cấp bởi hãng

Keysight Technology được sử dụng vào thiết kế

e Layout mạch và các bước đánh giá DRC, LVS sau khi hoàn thành layout.

1.4 Thuận lợi và khó khăn

1.4.1 Thuận lợi

Đối với nội dung 1, mặc dù các linh kiện sử dụng cho mạch rectifler từhãng Wiirth Elektronik, tuy nhiên quá trình vận chuyển nhanh không có sự chậmtrễ và dịch vụ gia công mạch PCB ngoài nước góp phần thúc đây thời gian hoànthành đề tài Hơn nữa, nhờ sự giúp đỡ của Thạc sĩ Nguyễn Minh Thiện, giảng viêntrường Đại học Quốc tế - ĐHQG TP.HCM, nhóm được cung cấp kiến thức vàhướng dẫn sử dụng phòng lab chuyên dụng MMIC tại trường Đại học Quốc tế

Đối với nội dung 2, nhờ có phần mềm ADS và máy ảo Cadence được khoa

cung cấp đã tạo thuận lợi cho nhóm nghiên cứu và phát triển nội dung thiết kế vi

mạch.

1.4.2 Khó khăn

Đối với nội dung 1, vì các mạch thiết kế hoạt động ở tần số cao lên đếnGHz, nên rất khó đề đáp ứng kết quả thực tế tương ứng với mô phỏng bởi đặc tính

matching trên transmission line của mạch Cũng chính vì mang đặc thù là hoạt

động với tín hiệu tần số cao, các thành phần RFIC rất nhạy cảm với tác động từ

bên ngoài, nên rat dé hư hỏng nêu không giữ trên tay cân than.

Đối với nội dung 2, sự hạn chế về kiến thức chuyên môn thiết kế vi mạchcao tần cũng gây không ít khó khăn cho việc nghiên cứu của nhóm Quan trọngnhất chính là thư viện sử dụng gpdk180_v3.2 sử dụng trong khóa luận Vì đòi hỏi

sự đúng đắn và tính thống nhất thư viện giữa ADS va Cadence nên nhóm đã mat

nhiêu thời gian đê tìm kiêm.

Chương 2 THIẾT KE CHE TẠO VÀ ĐO DAC RECTENNA

2 Nội dung chương 2 trình bày thiết kế Rectenna với hai thànhphan chính: Antenna va Rectifier Các kết quả mô phỏng và nhữngthông số ảnh hưởng đến Rectenna sẽ được trình bày Phương pháp dođạc Rectenna và các kết qua đo đạc duoc so sánh với kết quả mô

phỏng để cho thấy tính nhất quán của hai kết quả

2.1 Thiết kế chế tạo và mô phỏng Rectenna

2.1.1 Thiết kế Antenna

Antenna được thiết kế sử dụng cấu trúc metal-rimmed như Hình 2.1

Substrate được sử dụng dé thiết kế là FR4 với độ dày h = 0.8mm, ¿; = 4.4, tanỗ =0.02 Nhờ vào việc nghiên cứu và tinh chỉnh các thông số quan trong, antenna đượctối ưu và được thé hiện trong bảng 2.1 Antenna được thiết kế trên phần mềmHFSS Antenna trong báo cáo bao gồm 3 thành phần chính: radiating element,metal rim va ground plan Ngoài ra sẽ có thành phan support hỗ trợ cho việc gắnkết metal rim xung quanh mach antenna Thứ nhất, radiating element là lớp đồnghình thang được tối ưu để tao resonance và tăng kha năng matching làm rộngbandwidth ở tần số 2400 MHz Thứ hai, metal rim đóng vai trò tao capacitivecoupling kết hợp với radiation element tao resonance tại tan số 925 MHz Điều đócho thấy rang, input impedance tại băng tan 925 MHz sẽ dựa vào các thông số của

Open øap.

10

Feeding Pin

Radiation

Element

(a) Mặt phăng nghiêng (b) Mặt phẳng đứng

Hình 2.1: Cấu trúc của antenna

(Nguồn: Tác giả tự tổng hợp)Bảng 2.1: Thông số antenna

Thông số Gidtri(mm) | Thong sé Giá trị

2.1.2 Thiết kế Rectifier

Rectifier đóng vai trò vô cùng quan trọng trong mạch thu thập sóng RF.

Cấu trúc mach rectifier được thé hiện như trong Hình 2.2, gồm 3 nhân tổ chính:matching network, diode circuit va DC filter Đầu tiên, matching network được sử

dung dé tránh return loss ma antenna thu thap duoc va tối ưu hóa năng lượng di

vào diode circuit Thứ hai, nhờ vào diodes, mạch chỉnh lưu có thê chỉnh lưu sóng

RF từ antenna Cuối cùng, nhờ vào low-pass filter, những hài không mong muốn

được sinh ra trong quá trình nonlinear rectification sẽ được loại bỏ.

Hình 2.2: Cấu trúc của hệ thống RF energy harvester.

(Nguồn: Tác giả tự tong hop)

Việc lựa chọn diode thích hợp là bước đầu tiên dé tối ưu hóa diode circuit.Trong báo cáo, diode được sử dụng là Schottky diode [5] Mach diode sử dụng cầu

trúc voltage doubler được thê hiện như trong Hình 2.3 Trong nửa chu kỳ âm, diode

DI được phân cực thuận và tiến hành sạc tụ C1 đến điện áp cực đại Trong nửa chu

kỳ dương, diode DI phân cực nghịch chặn dòng xả của tụ Cl trong khi D2 phan

cực thuận, tụ C2 sẽ được nạp Do điện áp ở C1 trước đó đã được nap đầy, C2 cũng

được nạp đên điện áp cực đại, nên điện áp đâu ra của mạch sẽ được nhân đôi.

Hai loại mach diode khác được đề ra dé phân tích, đánh giá như Hình 2.4.

Với cấu trúc mạch series (Hình 2.4a) có thé sẽ cho PCE thấp Câu trúc mạch

Greinacher (Hình 2.4b) được đánh giá cao hơn bởi khả năng cho điện áp đầu racao hơn Tuy nhiên, cau trúc Greinacher cần gấp đôi số lượng diode so với cau trúcvoltage doubler và gấp bốn lần so với cấu trúc series Càng nhiều diode, chi phí

0.7 nH SMS-7630

0.16 pF

Hinh 2.5: Package model SMS — 7630.

(Nguồn: Tác giả tự tong hop)

13

Nhiều phương pháp được cân nhắc dé làm tăng tối đa khả năng chuyên hóa

năng lượng cua rectifier circuit Sử dụng lumped components (tụ, cảm, ) là một

trong những phương pháp hiệu quả nhất dé thiết kế chính nhờ vào package nhỏ sẽgiúp làm giảm kích thước của rectifier circuit Tuy nhiên, phương pháp này vẫn cómột số những giới hạn nhất định có thê sẽ gây ra những kết quả không mong muốnkhi có mạch thực tế Thứ nhất, các giá trị của lumped components trong thực tế sẽ

bị giới hạn, ví dụ như khi thiết kế mạch cần cuộn cảm có giá trị 17 nH nhưng trong

thực tế trên thị trường không có giá trị cuộn cảm 17 nH mà có thể chỉ có 15 nHhoặc 18 nH, điều đó sẽ gây khó khăn cho người thiết kế do phải nắm bắt được trên

14

thị trường có những giá trị lumped component nhất định nào Thứ hai, chất lượng

của cả mạch sẽ phải phụ thuộc vào chất lượng mà lumped component mang lại, do

mỗi hãng cung cấp sẽ có chất lượng sản phâm khác nhau Thứ ba, tất cả tụ điện và

cuộn cảm không phải là linh kiện lý tưởng hoàn toàn chỉ có tính tụ hoặc cảm mà

trên thực tê chúng sẽ có điện trở nội tại và điện trở này sẽ gây mât năng lượng.

Một giải pháp khác thay thế có thể giải quyết những giới hạn của lumped

component đó chính là sử dung microstrip line Tuy nhiên, sử dụng microstrip line

sẽ làm kích thước của rectifier tăng lên và performance sẽ phụ thuộc vào chất liệucủa substrate sử dụng Bảng 2.3 thể hiện những ưu điểm và nhược điểm của 2

phương pháp trên.

Bảng 2.3: So sánh ưu nhược điểm của lumped component và microstrip line

Ưu điểm Nhược điểm

Lumped Kích thước nhỏ Giới hạn giá trị trong thực tế

component Í Dã dang điều chỉnh mạch | Phụ thuộc vào chất lượng

linh kiện

Có điện trở nội tại

Microstrip Khắc phục nhược diém Tăng kích thước tông thé

line của lumped component mach

Phu thuộc vào chat luong

substrate

(Nguồn: Tác giả tự tong hợp)

Từ những ưu điểm và nhược diém của 2 phương pháp đã nêu, cuối cùng,rectifier trong báo cáo sẽ kết hợp ưu điểm của cả 2 phương pháp trên bằng việc sửdụng kết hợp cả lumped components và microstrip lines

15

Bảng 2.4: Thông số rectifier.

Gia tri (mm) Gia tri (mm)

Thong s6 | Width | Length | Thông số Width | Length

Cấu trúc rectifier thé hiện trong Hình 2.6 được thiết kế và mô phỏng bằng

phần mềm ADS (Advanced Design System) từ nhà phát triển Keysight EEsof

EDA S-paramaters của các linh kiện SMD (Surface-mount Device) và nonlinear

SPICE model của diode được mô phỏng bang HB Rectifier được thiết kế đặt ở

mặt sau của antenna ground plane với linh kiện 0402 SMD chuyên dành cho các

ứng dụng high frequency đến từ hãng Wiirth Elektronik Bảng 2.4 thé hiện các

thông số của từng thành phần trong cấu trúc rectifier circuit: bắt đầu với matching

network, sau đó diode circuit sử dung voltage doubler sẽ chỉnh lưu tín hiệu RF, DC

16

filter và trở tải sẽ ở sau diode circuit PCE () được thé hiện trong công thức (2.1)

tượng trưng cho tỉ lệ giữa điện áp Vpc và input power như công suất sau:

Ppc Vic 1

7 = — X 100% = — x — x 100% (2.1)

PIN R PIN

2.1.3 Két quả mô phỏng

2.1.3.1 Kết qua mô phóng của Antenna

Hình 2.7 biểu diễn kết quả mô phỏng hệ số phản xạ của antenna tại haibăng tần Kết quả cho thấy antenna thé hiện vượt trội với hệ số phản xạ đềudưới -10 dB từ 922 MHz đến 929 MHz và từ 2400 MHz 2480 MHz

và khoảng cách từ metal rim đến PCB sẽ ảnh hưởng rất lớn đến resonance tạibăng tần 925 MHz Mặc khác, tại tần số cao, current tập trung trên lớp đồng

hình thang Điều đó cho thấy radiation element sẽ là nhân tô ảnh hưởng trựctiếp đến resonance của antenna tại băng tan 2450 MHz

17

#151e+Ø81 8581e+831

.8812e+ØØ1

.12e+ØØ1 2872e+801

(L) và radiation element (rad elem L„ rad elem W) Như được thể hiện ở

Hình 2.9, open gap và chiều dai của metal rim khi được thay đổi sẽ ảnh hưởngđến sự thay đôi coupling giữa feeding element và metal rim Kết qua, resonance

frequency dịch chuyên và hệ số phan xa cũng được thay đổi Mặc khác, ở Hình

2.10 thé hiện các resonance tại tan số cao khi thay đôi các giá trị khác nhau của

radiation element Kết quả mô phỏng cho thấy, resonance frequency dịchchuyên thấp hơn khi chiều dài cạnh ngắn của lớp đồng hình thang (rad_elem_L)

tăng lên, ngoài ra chiều rộng của hình thang (rad_elem_W) khi thay đối sẽ làmresonance dịch chuyển như được thê hiện trong hình

18

(Nguồn: Tác giả tự tổng hợp)

"—¬.-=~+ rad_clem_L=3 mm |

rad_elem_L = 5 mm rad_clem_L=8 mm

(a) rad_elem_L (b) rad_elem_W

Hình 2.10: mô phỏng thay đổi hệ số phan xa tại 2450 MHz

(Nguồn: Tác giả tự tổng họp)

Cuối cùng là kết quả mô phỏng liên quan đến hiệu suất của antenna

Radiation efficiency của antenna (y,) thé hiện tỉ lệ giữa năng lượng được phát

ra (radiated) từ antenna (Pz) va năng lượng thu vào (accepted) (P„) công thức

2.2 Hiệu suất càng cao, antenna càng phát ra nhiều năng lượng Ngược lại, hiệu

suất càng thấp, càng nhiều năng lượng phản xạ ngược lại do bị mismatch:

19

Radiation efficiency thé hiện antenna loss tuy nhiên không bao gồmantenna impedance mismatch Thuật ngữ khác này bao gồm cả power lost (hoặcmismatch loss) được gọi là total efficiency (r) Total efficiency thể hiện tỉ lệ

giữa năng lượng được phát ra (radiated) từ antenna (P„) va năng lượng cung

cấp đến antenna (P,) được thé hiện ở công thức 2.3:

— Hiệu suất tổng — Hiệu suất tông

—— Hiệu suat phát xạ —— Hiệu suat phát xạ

2.1.3.2 Kết quả mô phỏng của Rectifier

Hình 2.12 thé hiện kết quả mô phỏng hiệu suất chuyên hóa năng lượngcuối cùng của mach rectifier Rectifier đạt 63% tại 2450 MHz với input power

-0.5 dBm Mặc khác, tai input power -0.5 dBm, PCE đạt 64% khi rectifier hoạt

động ở tần số 925 MHz Điện trở đầu ra của mạch cũng được tối ưu tại R =

4000Q giúp rectifier dat PCE cao nhất PCE đạt trên 40% từ input power -10dBm đến 2.1 dBm và -12.8 dBm đến 2.6 dBm lần lượt tai 2450 MHz và 925

Năng lượng vào (dBm)

Hình 2.12: Mô phỏng PCE của rectifier.

(Nguồn: Tác giả tự tổng hợp)

2.2 Do đạc Rectenna

Antenna và Rectifler được đo đạc độc lập dé có thể đánh giá performance củatừng thành phần một cách trực quan nhất Antenna PCB trong báo cáo thê hiện ở Hình

2.13a được chế tạo trên FR4-Epoxy substrate Metal rim được cấu tao từ lá đồng voi

độ dày 0.3mm La đồng này được kết dính xung quanh PCB với sự hỗ tro của 6 điểm

support trên board Antenna port được nối với inner conductor RG402 coaxial cable

va antenna ground plane được phủ lớp solder mask giúp cho việc kết nối với coaxial

cable được dễ dàng hơn Mặc khác, rectifier được thiết kế ở mặt sau của antenna như

thể hiện ở Hình 2.13b

21

(a) Rectifler (b) Antenna '

Hình 2.13: Mạch thực tế

(Nguồn: Tác giả tự tổng hop)

Các thông số của rectenna được do đạc tại phòng lab MMIC Laboratory —HCM International University Hệ sỐ phản xa antenna được đo đạc với máy do

Keysight E5071C ENA Vector Network Analyzer được thé hiện ở Hình 2.14.Antenna radiation pattern được đo ở anechoic chamber, Hình 2.15, bằng phương pháp

Roll-over-Azimuth scanner system Phương pháp near-field measurement system này

là phương pháp phù hợp nhất cho việc đo đạc medium va low gain antenna Như théhiện ở Hình 2.15, rectenna được gan trên giá đỡ va metal-rimmed được đặt hướng

đên measurement probe.

Hình 2.14: Keysight E5071C ENA Vector Network Analyzer.

(Nguồn: Tác giả tự tong hop)

22

[ là

Hình 2.15: Do đạc antenna tại phòng đo anechoic chamber.

(Nguồn: Tác giả tự tổng hợp)

2.2.1 Kết quả đo đạc Antenna

Hình 2.16 thể hiện kết quả so sánh giữa mô phỏng và thực tế đo đạc củaantenna với thông số hệ số phản xạ Tại tần số 925 MHz, antenna đạt kết quả khátốt khi kết quả đo đạc gần giống với mô phỏng Mặc khác, tại tần số 2450 MHz,

kết quả đo đạc có sự lệch nhẹ về tần số cao hơn so với mô phỏng Tuy nhiên, kết

quả đo đạc này có thể chấp nhận được

23

Hiệu suất Antenna (dB)

Hình 2.16: So sánh mô phỏng và đo đạc hệ số phản xạ của antenna

Nói về hiệu suất của antenna, hiệu suất cao nhất đạt -4.1 đB tại tần số thấp

và đạt trên -2 đB tại tần số cao [52] Kết quả mô phỏng và đo đạc ở Hình 2.17 có

sự khác nhau là do sự thay đổi từ thông số hệ số phản xạ của antenna được trình

bày ở Hình 2.16.

180° 180°

—— Simulation (phi=0deg) = — Simulation (phi=90deg)

===* Measurement (phi=Odeg) ===: Measurement (phi=90deg)

(a) 925 MHz

300° 300° 60°

270°

—— Simulation (phi=Odeg) = = Simulation (phi=90deg)

===: Measurement (phi=Odeg) === Measurement (phi=90deg)

(b) 2450 MHz

Hình 2.18: So sánh mô phỏng va do đạc normalized radiation pattern.

(Nguồn: Tác giả tự tổng hop)

25

Hình 2.18 thể hiện kết quả đo đạc normalized radiation pattern tại 2 mặt $Ò

= 90° và $ = 0° tại tần số 925 MHz và 2450 MHz Tại tần số thấp, antenna cho kết

quả là một quasi-isotropic pattern với năng lượng phát xạ ra đều ở mọi hướng Mặc

khác, tại tần số cao, năng lượng được phát xạ thành một omni-directional pattern.Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số mismatch giữa kết quả mô phỏng và đo đạc được thêhiện trong hình Điều này có thé giải thích là do những lỗi chế tạo không thể tránhkhỏi và quá trình thiết lập môi trường đo đạc là không hoàn hảo hoàn toàn

2.2.2 Kết quả đo đạc Rectifier

Hình 2.19 thể hiện sự so sánh giữa kết quả mô phỏng và đo đạc hệ số phản

xạ của rectifier Những kết quả này cho thấy có sự khác biệt nhẹ tại tần số cao và

tần số thấp Điều này có thé giải thích bởi có những mat mát năng lượng gây ra dovật liệu làm substrate và giá trị các lumped component Tuy nhiên, rectifier vẫncho kết quả đo đạc tốt với return loss đều dưới -10 dB cho cả hai băng tan

Với điện trở đầu ra được tối ưu hóa tại R = 4000Q, hiệu suất và điện ap ra

tại hai tần số của rectifier có thể đạt được kết quả cao nhất như được thể hiện ở

Hình 2.20a,b lần lượt tại tần số 925 MHz và 2450 MHz Qua đó có thể thấy đượcrectifier đạt 61.4% tại input power -0.8 dBm và 59.2% tại -0.7 dBm lần lượt tai tan

số thấp và tan số cao Kết quả mô phỏng và kết quả do đạc cho thấy có sự khác

biệt nhẹ có thé giải thích bởi mismatch và mat mát năng lượng trong quá trình do

đạc Với kết quả do đạc DC voltage, rectifier đạt 1.42 V tại -0.7 dBm tai tan s6 cao

và 1.43 V tại -0.8 dBm tại tần số thấp Như Hình 2.21, điện áp đầu ra tai 925 MHz

và 2450 MHz là gần giống nhau

26

Hiéu suat Rectifier (%)

(Nguồn: Tác giả tự tong hợp)

100

= 5

—=— Hiệu suất 925 MHz Mô phỏng

^=- Hiệu suât 925 MHz Đo đạc

S- Hiệu suất 2450 MHz Mô phỏng

Nang lugng vao (dBm)

(Nguon: Tác giả tự tong hợp)

Hình 2.21: Điện áp ra cua rectifier.

(Nguồn: Tác giả tự tổng hợp)

27

2.3 Khảo sát và ước lượng khoảng cách từ rectenna đến nguồn phát

Dựa vào hình 2.18 có thé thấy, antenna trong báo cáo dat gain từ 0-5 dBi trong

bandwidth hoạt động Gia sử gain của antenna là 3 dBi va năng lượng vào rectenna

dưới 10 dBm và trên -5 dBm, dựa vào công thức Friis có thé ước lượng được khoảngcách tối thiêu từ nguồn phát đến rectenna Mặc dù với năng lượng vào càng lớn,

rectenna càng đạt điện áp ra cao, tuy nhiên rectenna trong báo cáo này được tôi ưu đểđạt hiệu suất cao nhất với năng lượng vào dưới 10 dBm và trên -5 dBm theo hình

2.20.

hy = Pr Gx Grr ( : ) (2.4)

4mDr fo

P,x: năng lượng tai nguồn nhận

Pix: năng lượng tại nguồn phát

G.x: độ lợi của antenna tại nguồn nhận

Gx: độ lợi của antenna tại nguồn phát

D.: khoảng cách giữa hai nguồn

c: tốc độ truyền sóng

fo: tan số

Bang 2.5 ước lượng khoảng cách từ rectenna đến các nguồn phát khác nhau Cóthê thấy rectenna được trình bày trong khóa luận có thê thu thập được năng lượng từcác nguồn này với khoảng cách được tính toán theo công thức Friis và trình bày trongbảng Tuy nhiên, chỉ khi truyền tải dữ liệu lớn, các nguồn phát mới đạt được côngsuất tối đa Hơn nữa, nếu muốn cải thiện khoảng cách thu thập, cần phải tối ưu thêm

về hiệu suât chuyên hóa năng lượng và cả độ lợi của rectenna.

28