(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu giải pháp truyền năng lượng siêu cao tần phục vụ cho khai thác năng lượng mặt trời luận án TS kỹ thuật điện, điện tử và viễn thông 60520

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐOÀN HỮU CHỨC NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN PHỤC VỤ CHO KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG HÀ NỘI - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐOÀN HỮU CHỨC NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN PHỤC VỤ CHO KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Bạch Gia Dương HÀ NỘI- 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tác giả hướng dẫn GS.TS Bạch Gia Dương Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác trừ cơng trình tác giả Nếu có sai trái tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả Đoàn Hữu Chức ii LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận án này, em xin chân thành cảm ơn bảo, hướng dẫn nhiệt tình thầy hướng dẫn GS.TS Bạch Gia Dương Nhờ có hướng dẫn giúp đỡ thầy em hoàn thành luận án Tôi xin cảm ơn giúp đỡ tận tình tạo điều kiện trình thực luận án cán Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, thầy cô Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội Tơi xin cảm ơn giúp đỡ tận tình tạo điều kiện cho tơi có thời gian thuận lợi làm nghiên cứu sinh lãnh đạo Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng động viên giúp đỡ đồng nghiệp công tác Khoa Điện – Điện tử nhà trường Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, người ln bên cho tơi động viên khích lệ lớn lao thời gian thực luận án Đoàn Hữu Chức iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Mục lục iv Danh mục ký hiệu chữ viết tắt vii Danh mục bảng x Danh mục hình vẽ, đồ thị xi MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN VÀ NHỮNG YÊU CẦU ĐẶC THÙ KHI SỬ DỤNG CHO VỆ TINH NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Lịch sử phát triển WPT 1.2 Khái quát hệ thống truyền lượng không dây 1.3 Hệ thống vệ tinh lượng mặt trời SPS 1.4 Tổng hợp nghiên cứu phần phát MPT ứng dụng cho SPS 13 1.4.1 Bộ khuếch đại sử dụng bán dẫn 14 1.4.2 Anten phát 16 1.4.3 Những vấn đề phát đề xuất giải pháp, mục tiêu cho SPS 17 19 20 21 22 22 24 26 1.5 Tổng hợp nghiên cứu Rectenna 1.5.1 Rectenna 1.5.1.1 Các nghiên cứu Rectenna có mạch chỉnh lưu nối tiếp 1.5.1.2 Các nghiên cứu Rectenna có mạch chỉnh lưu song song 1.5.1.3 Các nghiên cứu Rectenna có mạch chỉnh lưu nhân áp 1.5.2 Mảng Rectenna 1.5.3 Những vấn đề Rectenna đề xuất giải pháp cho SPS 1.6 Kết luận mục tiêu luận án Chương NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ KHUẾCH iv 27 30 ĐẠI CÔNG SUẤT PHỤC VỤ CHO PHẦN PHÁT NĂNG LƯỢNG SÓNG SIÊU CAO TẦN 2.1 Cấu trúc chung mạch khuếch đại 30 2.2 Phương pháp phối hợp trở kháng dải rộng, thay đổi nhiều thang trở kháng đặc trưng 2.3 Mạch dao động sử dụng SPS3043 34 2.3.1 Thiết kế chế tạo mạch 42 2.3.2 Kết thực nghiệm 44 2.4 Mạch khuếch đại công suất dùng AH201 44 2.4.1 Thiết kế mô 44 2.4.2 Chế tạo kết thực nghiệm 46 2.5 Mạch khuếch đại công suất dùng PTFA240451E 49 2.5.1 Thiết kế mô 49 2.5.1.1 Đề xuất phương pháp thiết kế 49 2.5.1.2 Mạch phối hợp trở kháng lối vào 50 2.5.1.3 Mạch phối hợp trở kháng lối 53 2.5.2 Chế tạo kết thực nghiệm 56 2.5.2.1 Chế tạo mạch khuếch đại 56 2.5.2.2 Kết thực nghiệm 58 2.5.2.3 Thực nghiệm kiểm tra phát công suất thực tế khuếch đại 61 2.6 Tổ hợp công suất mạch cầu Wilkinson 63 2.6.1 Nguyên lý chung 63 2.6.2 Mạch Wilkinson đường 66 2.6.3 Mạch Wilkinson đường 68 2.6.4 Tổ hợp công suất sử dụng mạch cầu Wilkinson 72 Nhận xét kết luận chương 74 Chương NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC RECTENNA 76 3.1 Giới thiệu 76 v 42 3.2 Thiết kế Anten thu 84 3.2.1 Anten mạch dải đơn 85 3.2.1.1 Tính tốn kích thước miếng Patch 86 3.2.1.2 Đoạn phối hợp trở kháng /4và feedline 50Ω 88 3.2.1.3 Chế tạo kết thực nghiệm 91 3.2.2 Anten mảng 1x4 chấn tử 92 3.2.2.1 Tính tốn kích thước miếng Patch 94 3.2.2.2 Đoạn phối hợp trở kháng /4, 50Ω 99Ω 94 3.2.2.3 Kết mô 3.2.2.4 Chế tạo kết thực nghiệm 94 95 3.2.3 Anten mảng 2x4 chấn tử 96 3.3 Thiết kế chế tạo mạch chỉnh lưu siêu cao tần 101 3.3.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ kiểu nối tiếp 101 3.3.2 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ kiểu shunt 104 3.3.3 Mạch chỉnh lưu kiểu nhân đổi điện áp Villard 107 3.3.4 Mạch nhân áp phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây chêm đơn 110 3.5 Thử nghiệm hệ thống truyền lượng không dây 115 Nhận xét kết luận chương 117 Kết luận kiến nghị 119 Danh mục cơng trình cơng bố tác giả liên quan đến luận án 122 Tài liệu tham khảo 124 vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Danh mục kí hiệu STT Kí hiệu Mơ tả  Độ lệch pha L Hệ số hiệu chỉnh chiều cao kích thước miếng patch anten mạch dải  Hệ số truyền sóng  Hiệu suất chuyển đổi  Bước sóng tín hiệu  Pha tín hiệu biểu diễn phức  Hằng số điện mơi  Tần số góc tín hiệu  Vận tốc sóng điện từ 10  Hệ số phản xạ 11 B Điện dẫn song song 12 c Tốc độ ánh sáng 13 C Giá trị điện dung 14 D Khoảng cách 15 f Tần số tín hiệu 16 g Chiều rộng đoạn ăn sâu vào miếng patch anten mạch dải 17 G Độ lợi hệ số khuếch đại 18 h Độ dày miếng phíp đồng chế tạo mạch 19 i Đơn vị phức 20 I Cường độ dịng điện tín hiệu vii 21 l Độ dài đường truyền 22 L Chiều cao miếng patch anten mạch dải 23 P Công suất tín hiệu 24 R Giá trị điện trở 25 S Các tham số tán xạ 26 T Hệ số truyền qua 27 V Điện áp tín hiệu 28 W Độ rộng miếng patch anten mạch dải 29 X Điện dẫn nối tiếp 30 y Chiều dài đoạn ăn sâu vào miếng patch anten mạch dải 31 Z Trở kháng Danh mục chữ viết tắt STT Chữ viết tắt Tiếng Anh Diễn giải nội dung AIA Active Integrated Antenna Anten tích hợp tích cực AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện chiều DOE U.S Department Of Energy Bộ lượng Mỹ GEO Geostationary Earth Orbit Quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh FET Field Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường ISM Industry, Science, Medical JAXA nghiên cứu y tế Japan Aerospace Exploration Cơ quan thám hiểm không Agency LEO and Băng tần cho công nghiệp, gian Nhật Bản Low Earth Orbit Quỹ đạo vệ tinh thấp viii 10 LPF 11 MESFET Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp Metal–Semiconductor Field- Transistor hiệu ứng trường Effect Transistor chuyển tiếp kim loại - bán dẫn 12 MINIX Microwave Ionoshere Thí nghiệm tương tác phi Nonlineat Interaction tuyến siêu cao tần tầng eXperiment 13 14 MIT MMIC điện ly Massachusetts Institute of Viện MPT Massachusetts Monolithic Microwave Mạch tích hợp tương tự siêu cao tần Microwave Power Truyền lượng sử Transmission 16 MW 17 NASA dụng sóng siêu cao tần Microwave National Sóng siêu cao tần Aeronautics and Cơ quan thám hiểm vũ trụ Space Administration, 18 PA 19 RECTENNA nghệ Technology Integrated Circuit 15 Công Mỹ Power Amplifier Khuếch đại công suất Rectifying Antenna Anten chỉnh lưu siêu cao tần 20 RF 21 RFID 22 SPS Radio Frequency Sóng vơ tuyến radio Radio Frequency Identifier Nhận dạng không dây Solar Power Satellite Vệ tinh thu lượng mặt trời 23 VCO VoltageControlled Oscillator Bộ dao động điều khiển điện áp 24 TWT 25 TWTA Travelling Wave Tube Traveling Wave ix Ống dẫn sóng chạy Tube Bộ khuếch đại sóng chạy 38 Octavian Sima(2011), Design of a Large Area Rectennafor Energy Harvestingusing Ambient RF Energy,Katholieke universiteit, Thesis of Master in Engineering 39 P Colantonio, F Giannini and E Limiti(2009), High Efficiency RF and Microwave Solid State Power Amplifiers, West Sussex: John Wiley &Sons Ltd 40 Paul Jaffe and James Mc Spadden(2013), “Energy Conversion and Transmission Modules for Space Solar Power”, Proceedings of the IEEE, Vol.101(6),pp.1424-1437 41 Prince Mahdi Masud(2013), A methodology for designing 2.45 GHz wireless rectenna system utilizing Dickson Charge Pump with Optimized Power Efficiency, University of Waterloo, Thesis Master of Applied Science in Electrical and Computer Engineering, 42 R.Gautham, G.Elavarasan, Mr.kamalakannan(2012), “Wireless Power Transmission For Solar Power Satellite (SPS)”, International Journal of Power Control Signal and Computation (IJPCSC), Vol 4(2), pp.35-44 43 Rakesh Kumar Yadav, Sushrut Das and R L Yadava(2011), “Rectennas Design, Development And Applications”, International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST), Vol.3(10), pp.7823-7841 44 Robert E Collin(2000), Foundations for Microwaves Engineering, IEEE Press, John Willey & Son, INC, 2nd Edition 45 S Banu, A Vishwapriya, R Yogamathi, A.V Meenakshi and S.P.K Babu(2012), “Analysis and Comparison of a Coplanar Waveguide and Micro Strip based Rectenna”, Bonfring International Journal of Research in Communication Engineering, Vol 2(3), pp.8-12 46 S Gao,et (2006), “Microwave Class-F and Inverse Class-F Power Amplifiers Designs using GaN Technology and GaAs pHEMT”, Proceedings of 128 the st European Microwave Integrated Circuits Conference, Manchester UK, pp.493-396 47 S Riviere, F Alicalapa, A Douyere and D Lan Sun Luk(2010), “A compact rectenna devide at low power”, Progress In Electromagnetics Research C, vol.16, pp.137-146 48 S Sheik Mohammed, K Ramasamy, T Shanmuganantham (2010), “Wireless Power Transmission: A Next Generation Power Transmission System”, International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) Vol.1(13), pp.100-103 49 Sajina Pradhan, Seong-Ro, Lee Sun-Kok Noh and Dong-You Choi(2014), “Comparative Harvesting”, Study of International Rectenna Journal for of Electromagnetic Control and Energy Automation, Vol.7(3), pp.101-112 50 Sarat K Kotamraju, et al(2014), “Design and Implementation of Rectifying Antenna Array”, IJECT, Vol5(SPL-3),pp101-103 51 Seyed Reza Motahari, Hamid Pahlevaninezhad, Dawood Shekari Beyragh (2010), “Design and Implementation of a High Power S-Band Solid-State Pulsed Amplefier for LINAC”, Proceedings of International Symposium on Signals, Systems and Electronics (ISSSE2010), pp.1-4 52 Shailendra Singh Ojha, P.K Singhal, Anshul Agarwal, Akhilesh Kumar Gupta(2013), “2-GHz Dual Diode Dipole Rectenna For Wireless Power Transmission”, International Journal Of Microwave And Optical Technology, Vol.8(2), pp.86-92 53 Shigeo Kawasaki(2011), “Microwave WPT to a Rover Using Active Integrated Phased Array Antennas”, EuCap2011-Convened Papers, pp.39093912 54 Steve C Cripps(2002), Advanced techniques in RF power amplifier design, Artech House Boston - London 129 55 T Durga Prasad, K V Satya Kumar, MD Khwaja Muinuddin, ChistiB.Kanthamma, V.Santosh Kumar(2011), “Comparisons of Circular and Rectangular Microstrip Patch Antennas”, International Journal of Communication Engineering Applications-IJCEA, Vol.02, Issue 04, pp.187-197 56 Taufiqqurrachman, Deni Permana Kurniadi(2012), “Design and Realization Wilkinson Power Divider at Frequency 2400MHz for Radar SBand”, IOSR Journal of Electronics and Communication Engineering (IOSRJECE), Vol.3(6), pp.26-30 57 Tian He and Uma Balaji(2010), “Design of a Class F Power Amplifier”, PIERS ONLINE, VOL 6(2), 2010, pp 141-144 58 URSI Inter-commission Working Group on SPS(2007), URSI White Paper on Solar Power Satellite (SPS) Systems and Report of the URSI InterCommission Working Group on SPS 59 Ugur Olgun, Chi-Chih Chen and John L.Vlakis(2011), “Investigation of Rectenna Array Configurations for Enhanced RF Power Harvesting”, IEEE Antennas and wireless propagation letters, Vol.10, pp.262 – 265 60 V Marian, C Vollaire, B Allard, J Verdier(2011), “Low power rectenna topologies for medium range wireless energy transfer”, Proc 14th EPE 2011, Birmingham, UK, pp.1-10 61 Wai Siang Yeoh(2010), Wireless power transmission (WPT) application at 2.4 GHz in common network, RMIT University, Doctor of Philosophy’s Thesis 62 WJ AH201 devices datasheet, visit website at http://www.alldatasheet.com/ 63 Y.-Y Gao, X.- X Yang, C Jiang, and J.-Y Zhou(2010), “A circularly polarized rectenna with low profile for wireless power transmission”, Progress In Electromagnetics Research Letters, vol.13, pp.41-49 130 64 Youghwan Kim and Sungjoon Lim(DEC 2011), “A Highly Efficient Rectenna Using Harmonic Rejection Capability”, Journal Of The Korean Institute Of Electromagnetic Engineering And Science, Vol.11(4), pp.257-261 65 Yu-Jiun Ren(2007), Microwave and milimeter-wave rectifying circuit arrays and ultra-wideband antennas for wireless power transmission and communications, Texas A&M University, Doctor of Philosophy’s Thesis 66 Zied Harouni, Lotfi Osman and Ali Gharsallah(2010), “Efficient 2.45 GHz Rectenna Design with High Harmonic Rejection for Wireless Power Transmission”, IJCSI International Journal of Computer Science Issues, Vol.7(5), pp.424-427 67 Wei- Tinh Chen, et al(2013), “A 36 W Wireless Power Transfer System with 82% Efficiency for LED lighting Applications”, Transaction of The Japan Institute of Electronics Packaging, Vol.6(1), pp.32-37 131 ... CHỨC NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN PHỤC VỤ CHO KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN... ? ?Nghiên cứu giải pháp truyền lượng siêu cao tần phục vụ cho khai thác lượng mặt trời? ?? để thực luận án Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu tác giả xây dựng mơ hình thực tế truyền lượng khơng... từ lượng mặt trời thành lượng điện, hiệu suất chuyển đổi từ lượng điện thành lượng siêu cao tần không gian, hiệu suất chuyển đổi lượng siêu cao tần thành lượng điện phía thu (Rectenna) - Tần