Thiết kế, chế tạo rectenna công suất lớn cho hệ thống truyền năng lượng không dây khoảng cách gần

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN MẠNH DŨNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO RECTENNA CÔNG SUẤT LỚN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY KHOẢNG CÁCH GẦN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG HÀ NỘI – 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN MẠNH DŨNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO RECTENNA CÔNG SUẤT LỚN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY KHOẢNG CÁCH GẦN Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử, Truyền thông Chuyên Ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Bạch Gia Dƣơng HÀ NỘI – 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn “Thiết kế, chế tạo Rectenna công suất lớn cho hệ thống truyền lƣợng không dây khoảng cách gần” sản phẩm thực hướng dẫn GS.TS Bạch Gia Dương Trong toàn nội dung luận văn, điều trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ rang trích dẫn hợp pháp Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan Hà Nội, Ngày 21 tháng năm 2017 TÁC GIẢ Trần Mạnh Dũng LỜI CẢM ƠN Lời xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tập thể Thầy, Cô giáo Khoa Điện tử - Viễn Thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội giúp đỡ tận tình chu tơi có mơi trường tốt cho việc học tập nghiên cứu Đặc biệt, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Bạch Gia Dương TS Đoàn Hữu Chức, người trực tiếp hướng dẫn, bảo tơi tận tình suốt q trình nghiên cứu hồn thiện luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bố mẹ người vợ yêu quý tôi, người động viên, ủng hộ vật chất lẫn tinh thần để tơi hồn thành luận văn tốt Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian thực luận văn có hạn, nên luận văn cịn nhiều hạn chế thiếu sót Tơi mong nhận nhiều góp ý, bảo thầy, để hồn thiện luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày 21 tháng năm 2017 TÁC GIẢ Trần Mạnh Dũng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Chương Giới thiệu 1.1 Truyền lượng không dây lịch sử phát triển 1.1.1 Truyền lượng không dây 1.1.2 Một số mốc lịch sử phát triển 1.2 Rectenna 1.3 Mục tiêu đối tượng nghiên cứu 1.4 Các nghiên cứu liên quan Chương Cơ sở lý thuyết 2.1 Truyền sóng khơng gian tự 2.1.1 Phương trình truyền sóng 10 2.1.2 Mật độ thông lượng công suất, cường độ điện trường 12 2.1.3 Công suất anten thu nhận 14 2.2 Khái niệm trường gần trường xa 15 2.3 Đường truyền vi dải 17 2.3.1 Cấu trúc đường truyền vi dải 17 2.3.2 Cấu trúc trường đường truyên vi dải 18 2.4 Ăng ten vi dải 19 2.4.1 Cấu trúc ăng ten vi dải 19 2.4.2 Nguyên lý xạ 21 2.4.3 Trường xạ ăng ten vi dải 23 2.4.4 Mảng ăng ten vi dải 27 2.5 Hiện tượng chỉnh lưu sóng siêu cao tần 39 2.6 Hiệu suất rectenna 40 2.6.1 Định nghĩa hiệu suất chuyển đổi lượng RF - DC 40 2.6.2 Cấu trúc chuyển đổi lượng theo mảng RF-combine 41 2.6.3 Cấu trúc chuyển đổi lượng theo mảng DC-combine 41 2.6.4 Hiệu suất chuyển đổi tương quan 42 Chương Thiết kế mô 43 3.1 Thiết kế mảng ăng ten vi dải 43 3.1.1 Đặt yêu cầu 43 3.1.2 Tính tốn thiết kế 43 3.2 Mạch chỉnh lưu siêu cao tần 46 3.3 Mô tối ưu 50 Chương Thiết kế layout 51 4.1 Chọn vật liệu 51 4.2 Thiết kế Layout 52 4.2.1 Ăng ten vi dải 52 4.2.2 Mạch chỉnh lưu 52 Chương Kết đo 54 5.1 Phương tiện đo 54 5.2 Kết mô 54 5.3 Kết đo kiểm thực tế 58 5.3.1 Phương pháp thực 58 5.3.2 Ăng ten vi dải 58 5.3.3 Kết đo điện áp chỉnh lưu đơn chỉnh lưu nhân áp 59 Chương Kết luận 62 6.1 Kết luận 62 6.2 Hạn chế hướng phát triển 62 Tài liệu tham khảo 63 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mơ hình truyền lượng khơng dây rectenna .5 Hình 1.2 Các cấu hình thực khảo sát Hình 2.1 Quá trình chuyển tiếp trường ăng ten Hình 2.2 Vector điện trường từ trường khơng gian 11 Hình 2.3 Bức xạ nguồn xạ vô hướng khơng gian tự 12 Hình 2.4 Nguồn xạ có hướng 13 Hình 2.5 Trường gần trường xa 16 Hình 2.6 Cấu trúc đường truyền vi dải 18 Hình 2.7 Giản đồ trường đường vi dải 19 Hình 2.8 Ăng ten vi dải 20 Hình 2.9 Các loại hình dáng khác ăng ten vi dải 20 Hình 2.10 Sự phân bố hạt tải điện mật độ dòng tạo anten vi dải 21 Hình 2.11 Bốn dạng hình học anten mảng 28 Hình 2.12 Dạng hình học mảng phần tử đạt dọc theo trục z 29 Hình 2.13 Trường vùng xa sơ đồ pha mảng N phần tử isotropic 32 Hình 2.14 Đồ thị xạ ba chiều mảng broadside broadside/end-fire 36 Hình 2.15 Đồ thị xạ hai chiều mảng broadside broadside/end-fire 36 Hình 2.16 Đồ thị xạ ba chiều hai chiều mảng quét đồng gồm 10 phần tử (N=10,  kd cos0 ,0 =60 , d=  / ) 39 Hình 2.17 Hình dạng tín hiệu sau chỉnh lưu miền tần số miền thời gian 39 Hình 3.1 Biến đổi phối hợp trở kháng 45 Hình 3.2 Hình dạng miếng patch thiết kế 46 Hình 3.3 Cấu trúc mạch chỉnh lưu nhân điện áp 47 Hình 3.4 Sơ đồ mô xác định trở kháng đầu vào diode 49 Hình 3.5 Sơ đồ mơ mạch phối hợp trở kháng 50 Hình 3.6 Sơ đồ mơ mạch chỉnh lưu đơn 50 Hình 3.7 Sơ đồ mô mạch chỉnh lưu nhân áp sử dụng diode HSMS2850 51 Hình 4.1 Layout Ăng ten vi dải 2D 52 Hình 4.2 Layout ăng ten vi dải 3D 52 Hình 4.3 Layout mạch chỉnh lưu đơn 52 Hình 4.4 Layout mạch chỉnh lưu nhân điện áp 2D 53 Hình 4.5 Layout mạch chỉnh lưu nhân điện áp 3D 53 Hình 5.1 Kết mơ return loss ăng ten vi dải 54 Hình 5.2 Búp sóng 3D góc theta ăng ten vi dải 55 Hình 5.3 Búp sóng 3D góc phi φ 55 Hình 5.4 Đồ thị S11 theo biên độ theo hàm phức 56 Hình 5.5 Kết đồ thị mô hiệu suất mạch chỉnh lưu đơn 57 Hình 5.6 Kết đồ thị mơ mạch chỉnh lưu nhân áp 57 Hình 5.7 Mơ hình kiểm tra qua spliter 58 Hình 5.8 Mơ hình kiểm tra qua khơng gian 58 Hình 5.9 Cơng suất đầu vào -10 dBm 59 Hình 5.10 Cơng suất đầu vào +10 dBm 59 Hình 5.11 Đo S11 patch ăng ten 59 Hình 5.12 Hiệu suất chuyển đổi mạch chỉnh lưu 60 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các điểm null, cực đại nửa công suất, cực đại búp sóng phụ cho mảng broadside đồng biên độ 37 Bảng 2.2 Các độ rộng búp sóng cho mảng broadside đồng biên độ .37 Bảng 3.1 Các thông số anten thiết kế 43 Bảng 3.2 Cách thơng số tính tốn patch anten vi dải 2.4 GHz 45 Bảng 3.3 Cách thông số đường microstrip line với r  4.5, h 1.6mm 46 Bảng 3.4 Tham số diode HSMS2820 48 Bảng 3.5 Tham số diode HSMS2850 49 Bảng 5.1 Kết đo điện áp chỉnh lưu 59 Bảng 5.2 Tham số dụng cụ đo 60 Bảng 5.3 Hiệu suất ghép nối DC 61 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu S11 S21 RFID RF-Combine DC-combine Rectenna ADS MIM GHz THz 4.2 Thiết kế Layout 4.2.1 Ăng ten vi dải Ăng ten vi dải thiết kế loại ăn ten Inner-Fed để thu nhỏ kích thước Bên cạnh cho phép kiểm tra tính độc lập module chỉnh lưu trước tổ hợp chúng lại mảng lớn Hình 4.1 Layout Ăng ten vi dải 2D Hình 4.2 Layout ăng ten vi dải 3D 4.2.2 Mạch chỉnh lƣu oMạch chỉnh lưu đơn Hình 4.3 Layout mạch chỉnh lưu đơn oMạch chỉnh lưu nhân đơi 52 Hình 4.4 Layout mạch chỉnh lưu nhân điện áp 2D Hình 4.5 Layout mạch chỉnh lưu nhân điện áp 3D 53 Chƣơng Kết đo 5.1 Phƣơng tiện đo Phương tiện thực đo gồm:  Máy phân tích mạng Rohde& Schwarz  Cable đo cao tần RG316  Máy phát Agilent MXG vecter signal generator N5182B Các thiết bị đo gồm phương tiện đo cable nối calib kỹ trước tiến hành đo 5.2 Kết mô Mô Patch Ăng ten S11 Hình 5.1 Kết mơ return loss ăng ten vi dải 54 Hình 5.2 Búp sóng 3D góc theta ăng ten vi dải Hình 5.3 Búp sóng 3D góc phi φ Mơ xác định trở kháng mạch chỉnh lưu 55 Hình 5.4 Đồ thị S11 theo biên độ theo hàm phức Kết mơ S11, S21 mạch chỉnh lưu đơn 56 Hình 5.5 Kết đồ thị mô hiệu suất mạch chỉnh lưu đơn Kết mô S11, S21 mạch chỉnh lưu nhân điện áp Hình 5.6 Kết đồ thị mô mạch chỉnh lưu nhân áp 57 5.3 Kết đo kiểm thực tế 5.3.1 Phƣơng pháp thực Để tiến hành thực đánh giá hiệu suất chuyển đổi hai loại cấu trúc Thay phải thiết kế Ăng ten thu phát có góc độ lợi bé, ta thực phương pháp kiểm tra mơ hình sau: Waveform Gennerator MXG Mạch chỉnh lưu Hình 5.7 Mơ hình kiểm tra qua spliter Hình 5.8 Mơ hình kiểm tra qua khơng gian Phương pháp loại bỏ mảng ăn ten, mặc định công suất đầu đầu ăng ten giống có hiệu suất tối đa Do với phương pháp ta tránh cơng việc phức tạp việc thiết kế, thử nghiệm chế tạo ăng ten có góc độ lợi nhỏ đầu luận văn có đề cập đến Thay vào phương pháp cung cấp đầu tín hiệu siêu cao tần gần tương đương cho mạch chỉnh lưu Đo kết điện áp đầu mạch chỉnh lưu sau ghép điện áp DC để thực đánh giá hiệu suất Trong trường hợp này, hiệu suất khuếch đại PA 10W xác định 47% Tại đầu sau chia spliter kiểm tra hiệu chuẩn qua máy phân tích phổ FSV 13 trước đưa vào mạch chỉnh lưu 5.3.2 Ăng ten vi dải Tham số S11 đầu vào mạch chỉnh lưu nhân điện áp với công suất đầu vào thay đổi lần lượng: 58 Hình 5.9 Cơng suất đầu vào -10 dBm Hình 5.10 Cơng suất đầu vào +10 dBm Hình 5.11 Đo S11 patch ăng ten 5.3.3 Kết đo điện áp chỉnh lƣu đơn chỉnh lƣu nhân áp Kết đo điện áp chỉnh lưu thay đổi theo công suất đầu vào với diode HSMS2850 Bảng 5.1 Kết đo điện áp chỉnh lưu Pin (dBm) -10 -7 -4 -1 12 15 18 20 21 23 25 26 27 28 29 30 Trở tải Hiệu suất chuyển đổi Hình 5.12 Hiệu suất chuyển đổi mạch chỉnh lưu Từ đồ thị hiệu suất chuyển đổi mạch chỉnh lưu, ta xác định hiệu suất chuyển đổi hai loại cấu trúc chỉnh lưu điểm công suất đầu vào +27 dBm gần tương đương nhau, ta lựa chọn điểm cơng suất +27 dBm để làm công suất đầu vào cho việc đo hiệu suất 02 loại cấu trúc cấu hình ghép nối DCcombine Để thiết lập cấu hình thực đo thực hiên theo mục 4.3.1 ta phải thiết lập công suất phát máy đo MXG bảng sau: Bảng 5.2 Tham số dụng cụ đo Mạch khuếch đại công suất PA 10W Gain: 14 dB P1dB: 40dBm Freq range: 2÷4 GHz Để đạt cơng suất đầu đầu (04) chia +27dBm, ta cần thiết lập công suất đầu máy MXG PMXG = 27 + 6.4 - 14 = 19.4 dBm 60 Kết đo sau: Bảng 5.3 Hiệu suất ghép nối DC Pin (dBm) +27 dBm Trở tải Hiệu suất 61 Chƣơng Kết luận 6.1 Kết luận Trường hợp sử dụng nguồn phát: Cấu trúc RF-combiner cho hiệu suất chuyển đổi cao so với cấu trúc DC-combiner Cấu trúc RF-combiner cho phép thu hiệu lượng từ nguồn phát, bên cạnh có khả tối ưu mặt diện tích tốt so với cấu trúc DC-combiner Trong lĩnh vực tái tạo lượng thiết bị tái tạo lượng wifi, thiết bị mang mặc, thiết bị y tế, cấu trúc RF-combiner cho phép tích hợp cách hiệu cao làm giảm kích thước trọng lượng thiết bị lớn Trường hợp sử dụng nhiều nguồn phát chùm tia hẹp: Cấu trúc DC-combiner thể ưu vượt trội với khả chuyển đổi công suất lớn hiệu suất cao so với cấu trúc RF-combiner Với khả phân tải, tức khả chia nhỏ dòng tái tạo cộng gộp chúng lại với cấu trúc DC-combiner cho phép thực khả truyền lượng không dây với công suất lớn Với tốn truyền tải lượng khơng dây cơng suất lớn, lượng phía thu nhận lớn dễ gây tượng bão hòa diode chỉnh lưu nguyên nhân trực tiếp làm giảm hiệu suất chuyển đổi lượng từ cao tần sang nguồn chiều Hiện tượng nguyên nhân làm giới hạn mức công suất truyền tải phương pháp truyền lượng Luận văn trình bày nguyên nhân đề xuất giải pháp cho tốn truyền lượng khơng dây công suất lớn Về mặt lý thuyết tác giả chứng tính khả thi giải pháp Trình bày trình tự bước để thiết kế, mơ chế tạo mơ hình để kiểm chứng thực tế Bước đầu đạt kết khả quan hợp lý 6.2 Hạn chế hƣớng phát triển Do thời gian có hạn, luận văn chưa thiết kế mơ hình hồn chỉnh tối ưu thành phần: + Phối hợp trở kháng cho mạch chỉnh lưu chưa đạt yêu cầu 62 + Chưa có lọc đầu vào nhằm hạn chế hài spur ảnh hưởng đến tượng bảo hòa diode, làm giảm hiệu suất chỉnh lưu Quá trình gia cơng chế tạo chưa kiểm sốt triệt để, thành phần vật liệu FR4 có mật độ phân bố không đồng nhất, nguyên nhân gây phối hợp trở kháng toàn mạch rectenna Bên cạnh mạch thiết kế sử dụng thành phần phần tử tập trung tụ cảm đặc tính trở kháng bị thay đổi nhiều môi trường xung quanh thay đổi Trong thời gian tới, đề xuất hướng phát triển sau: + Hoàn thiện, tối ưu thiết kế cho mạch module: Mạch chỉnh lưu, Mạch lọc đầu vào mạch mảng ăng ten + + Lựa chọn loại vật liệu kiểm sốt gia cơng kỹ Nghiên cứu thiết kế loại ăng ten có nhiều chùm tia – Antennas for multiple spot beam + Nghiên cứu giải pháp khác cho toán truyền lượng không dây công suất lớn Tài liệu tham khảo Tài liệu tiếng việt: [1] GS.TSKH Phan Anh Trường điện từ truyền sóng, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [2] Bạch Gia Dương, Trương Vũ Bằng Giang Kỹ thuật siêu cao tần, NXB ĐHQGHN, Hà Nội, 2013 [3] GS.TSKH Phan Anh Lý thuyết kỹ thuật ăng ten, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2007 [4] Đào Khắc An, Trần Mạnh Tuấn, Vấn đề an ninh lượng giải pháp khai thác lượng mặt trời từ vũ trụ truyền trái đất, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2011 Tài liệu tiếng anh: 63 [5] Bạch Gia Dương, Đoàn Hữu Chức Design, simulation and fabrication of Rectenna circuit at S-Band for microwave power transmission VNU Journal of Science: Mathematics – Physics [6] th David M.Pozar, Microwave Engineering edition, John Wiley & Son, Inc, 2012 [7] A.Balanis, Antenna theory analysic and design 3rd, John Wiley & Son, Inc, 2005 [8]Ugur Olgun, Student Member, Chi-Chih Chen, Senior Member, IEEE, and John L Volakis, Investigation of Rectenna Array Configurationsfor Enhanced RF Power Harvesting, IEEE [9] Datasheet of HSMS2820, avago [10] Datasheet of HSMS2850, avago 64 ... NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN MẠNH DŨNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO RECTENNA CÔNG SUẤT LỚN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƢỢNG KHÔNG DÂY KHOẢNG CÁCH GẦN Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử, Truyền thông Chuyên... thiết kế chế tạo rectenna công suất lớn cho hệ thống truyền lượng không dây khoảng cách gần Chương 3: Trình bày kiến thức liên quan cho phép sử dụng để thiết kế mô Sau trình bày cách thức để thiết. .. Rectenna công suất lớn cho hệ thống truyền lượng không dây khoảng cách gần chủ đề nhiều nhà khoa học trẻ quan tâm năm gần Có nhiều cách tiếp cận tốn này: - Sử dụng lọc LC cho phía phát cách tiếp