Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu năng lượng siêu cao tần 2.45 GHz dùng cho hệ thống thu năng lượng ở khoảng cách gần

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ TUẤN ANH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CHỈNH LƢU NĂNG LƢỢNG SIÊU CAO TẦN 2.45 GHZ DÙNG CHO HỆ THỐNG THU NĂNG LƢỢNG Ở KHOẢNG CÁCH GẦN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ TUẤN ANH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CHỈNH LƢU NĂNG LƢỢNG SIÊU CAO TẦN 2.45 GHZ DÙNG CHO HỆ THỐNG THU NĂNG LƢỢNG Ở KHOẢNG CÁCH GẦN Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Cán hƣớng dẫn: PGS.TS BẠCH GIA DƢƠNG HÀ NỘI - 2015 LêTuấn Anh - ĐạiHọcCơngNghệ - ĐHQGHN 2015 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS.Bạch Gia Dương tận tình bảo, hướng dẫn giúp cho em có kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian học tập nghiên cứu Trung tâm nghiên cứu điện tử viễn thông, Đại Học Công Nghệ Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy cô giáo trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội nhiệt tình giảng dạy cho em lời khuyên hữu ích suốt trình học tập nghiên cứu trường Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian thực khóa luận có hạn, vốn kiến thức nắm chưa nhiều nên luận văn nhiều hạn chế Em mong nhận nhiều góp ý, bảo thầy, để hồn thiện viết Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm2015 Học viên thực LêTuấn Anh - ĐạiHọcCơngNghệ - ĐHQGHN 2015 TĨM TẮT NỘI DUNG Năng lượng không dây ngày trở nên phổ biến giới đại, nhu cầu lượng điện ngày tăng, nguồn lượng khai thác truyền thống ngày giảm việc sử dụng lượng vũ trụ trở thành cần thiết thời gian không xa Khi khai thác lượng vũ trụ đặt nhu cầu truyền lượng không dây trái đất Hiện để truyền lượng không dây, giới tập trung vào hướng truyền lượng dải sóng siêu cao tần Công nghệ thu lượng không dây sử dụng thiết bị gọi Rectenna, Rectenna bao gồmantenna thu, phối hợp trở kháng antennavà rectifier (bộ chỉnh lưu lượng siêu cao tần sang điện chiều DC tín hiệu siêu cao tầnđược thu từ antenna) Nguyên lý hệ thống truyền lượng vũ trụ lượng mặt trời qua hệ thống Solar Power Satellite sau truyền trái đất sóng siêu cao tần Tại nơi nhận, antenna thu đặt sau lượng siêu cao tần chuyển đổi thành điện để sử dụng Hệ thống truyền lượng khơng dây khoảng cách gần có nhiều ứng dụng thực tế để truyền lượng điểm- điểm không gian, truyền lượng từ mặt đất lên không gian, truyền lượng điểm phát điểm thu mặt đất Khoảng cách truyền lượng ứng dụng sử dụng sóng siêu cao tần, tần số 2.45 GHz Đối với truyền lượng khơng dây dải sóng siêu cao tần, sử dụng tần số 5.3 GHzđể thu nhỏ kích thước antenna hiệu suất truyền lượng thấp sử dụng tần số 2.45 GHz Hệ thống truyền lượng khơng dây theo ngun lý nói áp dụng cho thiết bị tiêu thụ lượngmặt trời, cấp điện không dây cho thiết bị dùng gia đình, sử dụng cho tivi, laptop, sạc khơng dây cho điện thoại, máy tính bảng v v.Ngồi ratruyền lượng khơng dây ứng dụng cho đặc thù sử dụng lượng không dây, cấp điện không dây cho thiết bịhoạt động khu vực phức tạp khơng có khả cấp điện trực tiếp mà phải cấp điện không dây từ xa Trong khuôn khổ luận văn này, với việc nghiên cứu tổng quan hệ thống truyền lượng không dây, luận văn tập trung nghiên cứu công nghệ chỉnh lưu siêu cao tần với hiệu suất cao nghiên cứu, thiết kế, chế tạo chỉnh lưu lượng LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015 siêu cao tần hoạt động tần số 2.45 GHz sử dụng cho việc truyền lượng không dây khoảng cách gần LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015 MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY 1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Truyền lượng khơng dây dùng sóng 2.45 GHz 11 1.3 Một số ưu điểm, nhược điểm 14 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ CHỈNH LƢU VÀ HỆ THỐNG RECTENNA 16 2.1 Các kiến thức .16 2.1.1 Chất bán dẫn 16 2.1.2 Diode bán dẫn 20 2.1.3 Các kỹ thuật chỉnh lưu 29 2.2 Cấu trúc Rectenna 33 2.3 Phối hợp trở kháng Rectenna 34 2.3.1 Khái niệm chung 34 2.3.2 Ý nghĩa việc phối hợp trở kháng .35 2.4 Mạch lọc rectenna 35 2.4.1 Mạch lọc sau antenna .35 2.4.2 Mạch lọc sau khối chỉnh lưu 39 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CHỈNH LƢU 2.45 GHZ 42 3.1 Yêu cầu thiết kế 42 3.2 Thiết kế chỉnh lưu nửa chu kỳ dùng diode loại HSMS2820 43 3.2.1 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng sử dụng mạch dải phần mềm ADS 43 3.2.2 Thiết kế mạch chỉnh lưu phần mềm ADS .44 3.2.3 Kết mô đo kiểm .44 3.3 Thiết kế chỉnh lưu bội áp dùng diode loại HSMS2820 45 3.4 Thiết kế chỉnh lưu bội áp dùng Transistor siêu cao tần SGA9189z 47 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 LêTuấn Anh - ĐạiHọcCơngNghệ - ĐHQGHN 2015 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 TruyềnnănglượngkhơngdâytừvệtinhđếnTráiĐất Hình 1.2: ThápWardenclyffe Nikola Tesla xâydựng Hình 1.3: Rectennacủatrạmthu Hình 1.4: Cáckiểuchỉnhlưusiêucaotần Hình.1.5: Cấutrúcbộchỉnhlưuphứchợp Hình 2.1: Phânloạivậtrắntheocấutrúcvùngnănglượng Hình 2.2: Cơchếphátsinhcặphạtdẫntự trongchấtbándẫnthuần Hình 2.3: Chấtbándẫnphatạploại n Hình 2.4: Chấtbándẫnphatạploại p Hình 2.5: PhâncựcthuậnchoJp-n Hình 2.6: PhâncựcngượcchoJp-n Hình 2.7: Cấutạocủa diode Hình 2.8: Đặctuyến Volt Ampere diode bándẫn Hình 2.9: Phâncựcngượccho diode Hình 2.10: Diode chỉnhlưu Hình 2.11: Cấutạocủa Diode Schottky Hình 2.12: Đặctrưng Volt Ampere Diode Schottky Hình 2.13: Đặctrưng Volt Ampere Diode Zener Hình 2.14: Đặctuyếnđiện dung theođiệnthếcủa diode biến dung Hình 2.15: Đặctrưng Volt Ampere diode hầm Hình 2.16: Chỉnhlưunửachukỳ Hình 2.17: Chỉnhlưuhainửachukỳ Hình 2.18: Chỉnhlưucầu Hình 2.19: Mạchtăngđơiđiệnápdùngcầu diode Hình 2.20: Mạchtăngđơiđiệnápdùnghai diode Hình 2.21: Mạchtăngba/tăngbốnđiệnáp Hình 2.22: SơđồkhốicủaRectenna Hình 2.23a: HiệusuấtcủamộtsốloạiRectenna Hình 2.23b: Rectennatronghệthốngtruyềnnănglượngkhơngdây ởkhoảngcáchgần LêTuấn Anh - ĐạiHọcCơngNghệ - ĐHQGHN 2015 Hình 2.24: Mạchphốihợpphốihợptrởkhánggiữatrởkhángtảibấtkỳ vàđườngtruyềnsóng Hình 2.25: Đườngtruyềnvidải Hình 2.26: Phânbốtrườngcủađườngtruyềnvidải Hình 2.27: ĐườngtruyềnvidảiđặttronghệtoạđộĐecac Hình 2.28: Trởkhángđặctínhvàhệsốđiệnmơihiệuứngcủađườngtruyềnvidảiđượctínhtheophươngphápc Wheeler Hình 2.29: Mạchlọcdùng RC Hình 2.30: Mạchlọcdùng LC Hình 2.31: Mạchlọcthơngthấp, thơngcaodùng RL Hình 3.1: Thơngsố diode Schottky HSMS2820 Hình 3.2: Đặctrưnggiátrịđiệnápravàcơngsuấtđầuvàocủa diode HSMS2820 Hình 3.3: Mạchphốihợptrởkháng 2.45 GHz thiếtkếbằng ADS Hình 3.4: Kếtquảmơphỏngmạchphốihợptrởkháng Hình 3.5: Mạchchỉnhlưu 2.45 GHz thiếtkếbằng ADS Hình 3.6: Mạchchỉnhlưu 2.45 GHz saukhichếtạo Hình 3.7: Mạchchỉnhlưusaukhiđokiểm, tạohiệuứngsángđèn Led Hình 3.8: Mạchđiệnthiếtkếdùng diode vớibộlọc SAW Hình 3.9: Kếtquảmơphỏngbộchỉnhlưubộiápvớibộlọc SAW Hình 3.10: Sơđồthiếtkếbộchỉnhlưubộiápsửdụng SGA9189z Hình 3.11: Kếtquảmơphỏngbộchỉnhlưubộiápsửdụng SGA9189z LêTuấn Anh - ĐạiHọcCơngNghệ - ĐHQGHN 2015 CHƢƠNG1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY 1.1 Lịch sử phát triển Truyền lượng không dây hay truyền công suất không dây WPT (Wireless Power Transmission) trình truyền lượng cao từ điểm đến điểm khơng cần dây dẫn Truyền lượng không dây, khác với truyền thông tin không dây viễn thông (như Radio, TV, Rada, Mobilphone), thơng tin biến điệu truyền hướng, tín hiệu có dải tần xác định, cơng suất tín hiệu đầu thu thường nhỏ (cỡ nW đến µW)… cịn lĩnh vực truyền lượng khơng dây cơng suất hiệu suất truyền lượng quan trọng nhất, lượng truyền định hướng Phần lớn hệ thống truyền lượng không dây trường gần dựa nguyên lý cảm ứng từ cảm ứng điện từ Về sau công nghệ truyền lượng không dây trường xa thực nguyên lý phóng chùm tia công suất (powerbeam) dạng tia vi ba hay tia laser để truyền công suất lớn (cỡ KW, MW chí thiết cỡ GW) từ vũ trụ bề mặt trái đất Hình 1.1: Truyền lượng không dây từ vệ tinh đến Trái Đất Về mặt lịch sử truyền lượng không dây nghiên cứu triển khai sớm, cách khoảng 150 năm, khái niệm ý tưởng truyền lượng LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015 mà không cần dùng đường dây tải điện cao Nicola Tesla khởi xướng Tuy nhiên từ kết lý thuyết thực nghiệm truyền tải công suất không dây không tiến nhiều so với công nghệ truyền thông tin thiếu mơ hình lý thuyết cơng nghệ phù hợp.Năm 1900 với việc triển khai truyền lượng không dây qua tháp cao New York, làm sáng số bóng đèn huỳnh quang khoảng cách 26 hải lý (cỡ 40 km), N.Tesla thu số kết đáng khích lệ lĩnh vực truyền thơng khơng dây Một số nhà nghiên cứu truyển khai nhiều nghiên cứu thí nghiệm truyền lượng không dây trường gần dùng để nạp điện cho số thiết bị máy điện,ô tô, xe điện, máy tính, điện thoại di động …Doanh thu cho nạp điện không dây lên tới tỷ USD Tuy nhiên đến năm 2004, sau nghiên cứu lý thuyết tường minh hơn, sau thí nghiệm nhóm nghiên cứu MIT, vấn đề nghiên cứu mạnh mẽ, nhiều công ty lớn Samsung, Intel nhanh chóng đầu tư đạt nhiều kết ấn tượng Trong việc nghiên cứu truyền công suất trường xa quan tâm mạnh từ năm 1973, sau patent Glasser Peter dùng chùm tia vi ba hay laser công suất cao để truyền công suất từ quỹ đạo GEO, MEO hay LEO vũ trụ mặt đất Từ đến có hàng chục dự án lớn Mỹ, Nhật, Châu Âu, Trung Quốc, Ấn Độ triển khai với đầu tư hàng chục tỷ USD thu nhiều kết tốt Theo suốt lịch sử phát triển, nhiều nhà phát minh thử áp dụng nhiều phương pháp truyền tín hiệu khơng dây, bao gồm phương pháp cảm ứng điện từ truyền tín hiệu qua mặt đất Khởi đầu với điện từ học, q trình nghiên cứu lĩnh vực truyền tín hiệu khơng dây, hàng loạt thí nghiệm tiến hành kể từ đầu kỷ 19 nhằm nghiên cứu liên quan điện từ tính dựa vào dự đốn trước Tiêu biểu vào năm 1800, Alessandro Volta phát triển phương pháp để tạo dòng điện Tiếp theo Gian Domenico Romagnosi với nghiên cứu liên quan dòng điện từ tính nghiên cứu ơng chưa công nhận Mãi đến năm 1829, Hans Christian Orsted đưa thí nghiệm để chứng minh thuộc tính từ dịng điện, dịng điện chạy cuộn dây làm chệch hướng kim la bàn đặt gần Chính thí nghiệm Orsted khơi mào cho AndréMarie Ampère phát triển lý thuyết điện từ kế Francesco Zantedeschi với nghiên cứu liên quan ánh sáng, điện từ trường LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015  Cấu trúc hình học đường truyền vi dải Hình 2.25: Đường truyền vi dải Đường truyền vi dải gồm dải dẫn điện với độ rộng “w” độ dày “t” phân cách với đất nhờ lớp điện mơi (hay cịn gọi chất nền) có độ dày “h” hệ số εr minh hoạ hinh Hình 2.26: Phân bố trường đường truyền vi dải Ưu điểm mạch vi dải so với mạch dải tất thành phần tích cực đặt mặt mạch Còn nhược điểm cần có độ cách điện cao, chẳng hạn với lọc hay thiết bị chuyển mạch, phải xem xét đến chắn ngồi Do khơng dự tính trước đáp ứng mạch nên mạch vi dải phát xạ Trong đường truyền vi dải, tín hiệu có tần số khác thẳng với tốc độ khác gây phân tán 36 LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015  Các tham số a) Trở kháng đặc tính hệ số điện mơi hiệu ứng Hình 2.27: Đường truyền vi dải đặt hệ toạ độ Đecac Khi độ dày chất dẫn t = 0, trở kháng đặc tính Z0và hệ số điện mơi hiệu ứng εeđược tính theo cơng thức Wheeler Schneider:  60  8h W   ln        e  W 4h   Z0   120      e W  1.393  0.667 ln  W  1.444    h   h với  e   r   r 1  W 1 h W 1 h F (W / h) 1/ 1/  (1  12h / W )  0.041(1  W / h)   F (W / h)    1/   (1  12h / W )  W / h 1 W / h 1 Sai số tương đối  e Z phải nhỏ 1% Trong W/h tính:  8e A   2A W e 2 2  W    h 120   W h      2  r 1 0.61  B   ln( B  )  ln( B  )  39       h 2 r   r      với A  B Z  r   r 1  0.11   0.23    60  r 1  r  377 r 2Z Các biểu thức cho độ xác lớn 1% 37 LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015 Giá trị trở kháng đặc tính hệ số điện mơi hiệu ứng hàm tỉ số W/h minh hoạ hình đây, Z  Z 0a /  e Sự biến đổi trở kháng đặc trưng đường vi dải có chất khơng khí (Zaom với  r = 1) vẽ đường cong gạch đứt Hình 2.28: Trở kháng đặc tính hệ số điện mơi hiệu ứng đường truyền vi dải tính theo phương pháp Wheeler b) Ảnh hưởng độ dày chất dẫn Cơng thức đơn giản xác trở kháng đặc tính Z0và hệ số điện mơi hiệu ứng εe với độ dày chất dẫn hữu hạn là:  60  8h We    ln       e  We 4h     Z0    120     e We  1.393  0.667 ln  We  1.444    h    h    W 1 h W 1 h Trong đó: W 1.25 t  4W  h   h 1  ln t  We   120 h  W 1.25 t  2h    1  ln   h  h t  e  C  r   r 1          W 2 h W 2 h F (W / h)  C  r 1 t / h 4.6 W / h 38 LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015 Lưu ý Z  e không bị ảnh hưởng độ dày chất dẫn tỉ số t/h nhỏ Tuy nhiên độ dày chất dẫn ảnh hưởng đến suy hao chất dẫn đường truyền vi dải  Trở kháng đặc tính biến thiên theo tần số Trở kháng đặc tính biết thiên cách phức tạp phụ thuộc tần số vào hình học điện mơi Khi ta cần có phương pháp để tính trở kháng đặc tính Một phương pháp điển hình Owen xác định độ rộng hiệu ứng w e , tiếp lấy đường truyền vi dải làm mơ hình cho cấu trúc ống dẫn sóng hai chiều Độ rộng hiệu ứng ống dẫn sóng xác định cơng thức: we  120h Z0  e Khi ta có tần số ngưỡng: fc  c 2we  e Độ rộng hiệu ứng dạng hàm tần số tính: we ( f )  w  we  w  ( f / fc )2 Khi ta có trở kháng đặc tính tính theo cơng thức: Z0 ( f )  120h we ( f )  e ( f ) 2.4.2 Mạch lọc sau khối chỉnh lưu Điện áp dòng điện chỉnh lưu bao gồm thành phần chiều (U0, I0) vô số thành phần xoay chiều, tải chỉnh lưu tác dụng thành phần chiều, thành phần xoay chiều gây lên độ nhấp nhô (độ gợn sóng độ khơng phẳng) điện áp dòng điện chiều tải, điều gọi độ đập mạch Do sau khối chỉnh lưu, thiết phải có lọc để san độ đập mạch (hay lọc loại bỏ thành phần xoay chiều) điện áp chỉnh lưu đến mức cần thiết mà tải yêu cầu  Mạch lọc dùng RC Hình bên trình bày sơ đồ lọc tụ điện sau chỉnh lưu nửa chu kỳ, dạng điện áp tải R Dòng điện liên tục nạp vào tụ phóng qua R tạo 39 LêTuấn Anh - ĐạiHọcCôngNghệ - ĐHQGHN 2015 thành đường mấp mơ gợn sóng Từ đến θ1 điện áp điện áp vào đồng thời tụ C nạp điện Từ θ1 đến θ2 tụ C phóng điện qua R Hình 2.29: Mạch lọc dùng RC Đối với chỉnh lưu nửa chu kỳ là: Vr = I/f.C, với I dịng trung bình qua tải, flà tần số nguồn điện, Vr điện áp gợn Đối với chỉnh lưu hai nửa chu kỳ: Vr = I/2f.C.Như cùngmộttụlọcvàtầnsốnguồnđiện,chỉnhlưuhainửachukỳchotađiệnápmột chiều mấp mơ Vớicùngmộttụlọc,tầnsốnguồnđiệnnàocàngcaođộmấpmơcàngnhỏ Trongthựctếngườitatạoranguồnđiệnmộtchiềuvớiđộmấpmơnhỏbằngcách chỉnh lưu vàlọc dao động có tần số cao  Mạch lọc dùng LC Bộ lọc LC dùng cho thiết bị chỉnh lưu công suất lớn Chúng ta biết cuộn cảm có trở kháng tỷ lệ với tần số (ZL= ωL) cịn tụ điện có trở kháng tỷ lệ nghịch với tần số nguồn điện (ZC= 1/ωC), kết hợp hai phần tử ta có lọc Cuộn cảm L mắc nối tiếp với tải chặn lại thành phần tần số cao, tụ điện C mắc song song với tải cho qua thành phần tần số cao mà cuộn cảm không chặn lại Hình 2.30: Mạch lọc dùng LC Hiệu suất lọc LC tính cơng thức: 40 LêTuấn Anh - ĐạiHọcCơngNghệ - ĐHQGHN 2015 Trong đó:  m số xung dòng qua tải, phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu  ω tần số điện mang  rLch điện trở tổn hao lọc LC  Rt điện trở tải Thường rLch