Nghiên cứu thiết kế rectenna ứng dụng trong hệ thống RFID và các nút cảm biến không dây tự chủ năng lượng

Nghiên cứu thiết kế rectenna ứng dụng trong hệ thống RFID và các nút cảm biến không dây tự chủ năng lượng Nghiên cứu thiết kế rectenna ứng dụng trong hệ thống RFID và các nút cảm biến không dây tự chủ năng lượng Nghiên cứu thiết kế rectenna ứng dụng trong hệ thống RFID và các nút cảm biến không dây tự chủ năng lượng Nghiên cứu thiết kế rectenna ứng dụng trong hệ thống RFID và các nút cảm biến không dây tự chủ năng lượng Nghiên cứu thiết kế rectenna ứng dụng trong hệ thống RFID và các nút cảm biến không dây tự chủ năng lượng Nghiên cứu thiết kế rectenna ứng dụng trong hệ thống RFID và các nút cảm biến không dây tự chủ năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGÔ VĂN ĐỨC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ RECTENNA ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG RFID VÀ CÁC NÚT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TỰ CHỦ NĂNG LƯỢNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Hà Nội – Năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGÔ VĂN ĐỨC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ RECTENNA ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG RFID VÀ CÁC NÚT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TỰ CHỦ NĂNG LƯỢNG Chuyên ngành: Đo lường hệ thống điều khiển LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Lê Minh Thùy Hà Nội – Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đạt Luận Văn nghiên cứu hướng dẫn Giáo Viên Hướng Dẫn nhóm nghiên cứu thời gian thực Những trích dẫn, thơng tin tham chiếu ghi rõ tài liệu tham khảo Nếu kết phát chép kết Tài liệu tham chiếu khác Hội Đồng hủy kết nghiên cứu Luận Văn Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực Ngô Văn Đức ii LỜI CẢM ƠN Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới Cô giáo TS Lê Minh Thùy, người thầy đáng kính hướng dẫn tơi tận tình suốt thời gian tơi làm luận văn Cô truyền đạt lại cho kiến thức, kinh nghiệm nghiên cứu giúp đỡ nhiều để tơi hồn thành tốt luận văn Chi phí dành cho thời gian nghiên cứu chế tạo luận án lấy từ nguồn đề tài có mã số B2015-01-93, chủ nhiệm đề tài TS Lê Minh Thùy Tôi xin chân thành cảm ơn thầy/cơ Viện Điện nói chung thầy cô môn Kỹ thuật đo Tin học Cơng nghiệp nói riêng, giúp đỡ giảng dạy suốt thời gian theo học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đó hành trang kiến thức quý báu giúp nhiều trình học tập, nghiên cứu làm việc sau Luận văn khơng hồn thành khơng có giúp đỡ, động viên quý báu từ thầy PGS.TS Nguyễn Quốc Cường, NCS Bùi Thị Duyên, thành viên nhóm RF Bộ môn Kỹ thuật đo tin học công nghiệp Viện Điện trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, TS Nguyễn Thanh Tùng thuộc Viện hàn lâm khoa học Việt nam trình nghiên cứu trường Tôi xin chân thành cảm ơn công ty R&SH Việt Nam; Khoa Điện tử viện thông thuộc Đại học Cơng nghệ giúp tơi q trình đo đạc kết Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân - người bên tôi, tạo điều kiện thuận lợi để tơi theo đuổi ước mơ nghiên cứu iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RF ENERGY HARVESTING I.1 Các nguồn lượng có mơi trường sống I.2 Thiết bị phục hồi lượng sóng điện từ Lịch sử đời phát triển Rectenna Cấu trúc Rectenna 10 I.3 Khảo sát nguồn lượng điện từ có môi trường sống .12 I.4 Các nút cảm biến không dây công suất tiêu thụ 15 I.5 Tình hình nghiên cứu giới 16 I.6 Mục tiêu đề tài 18 I.7 Kết luận .19 CHƯƠNG II THIẾT KẾ ANTEN THU 20 II.1 Cơ sở lý thuyết anten 20 Một số thông số đặc trưng anten 21 Một số loại anten thông dụng 26 II.2 Thiết kế anten thu 29 Double cane anten 29 Dual band double cane anten 30 II.3 Kết luận 32 CHƯƠNG III THIẾT KẾ MẠCH CHỈNH LƯU 34 III.1 Cơ sở lý thuyết 34 iv Mạch chuyển đổi AC-DC 35 Mạch lọc DC 39 Mạch phối hợp trở kháng .40 III.2 Thiết kế chế tạo mạch chỉnh lưu dải tần 2.45 GHz 40 Lựa chọn diode 41 Thiết kế mạch lọc DC 44 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng 46 Lựa chọn tải tối ưu 47 Kết mô mạch chỉnh lưu 49 Kết đo đạc .50 III.3 MỘT SỐ MẠCH CHỈNH LƯU HOẠT ĐỘNG Ở DẢI TẦN KHÁC .52 Mạch chỉnh lưu dải tần 900 MHz .52 Mạch chỉnh lưu dải tần 1800 MHz .54 Mạch chỉnh lưu dải tần 5.8 GHz 55 III.4 Kết luận 56 CHƯƠNG IV RECTENNA HOẠT ĐỘNG Ở DẢI TẦN 2.45 GHz 58 IV.1 Cấu hình đo đạc kết đo 58 IV.2 Hệ thống lưu trữ lượng 62 IV.3 Ứng dụng nút cảm biến đơn giản .68 IV.4 Kết luận .71 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHỮ VIẾT TẮT/ KÍ HIỆU WSN GSM NGHĨA TIẾNG ANH NGHĨA TIẾNG VIỆT Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây Global System for Mobile Hệ thống viễn thơng di động Communications tồn cầu 3G Third Generation Mạng di động hệ thứ 4G Forth Generation Mạng di động hệ thứ IoT Internet of Things Công nghệ Vạn vật kết nối RF Radio Frequency Tần số vô tuyến WPT Wireless Power Transfer Truyền lượng không dây RF-EH Radio Energy Phục hồi lượng từ sóng Frequency điện từ Harvesting vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình I-1: Ứng dụng cảm biến không dây mạng cảm biến không dây lĩnh vực Hình I-2: Các nguồn lượng có sẵn mơi trường mật độ cơng suất chúng [1] Hình I-3: Các nguồn sóng điện từ môi trường sống Hình I-4: Cấu trúc chung thiết bị phục hồi lượng từ sóng điện từ Hình I-5: Nicolas Tesla với thí nghiệm Truyền lượng khơng dây – 1899 [4] Hình I-6: W C Brown thí nghiệm với mơ hình trực thăng ông - 1964 Hình I-7: Hệ thống truyền lượng khơng dây Marshall Space Flight Center - 1970 Hình I-8: Hệ thống truyền lượng không dây sử dụng ống magnetron Phịng thí nghiệm Raytheon – 1975 10 Hình I-9: Hệ thống truyền lượng khơng dây Venus Site JPL Goldstone Facility – 1975 10 Hình I-10: Sơ đồ khối chung thiết bị phục hồi lượng từ sóng điện từ RF-DC (Rectenna) 11 Hình I-11: Phép đo mật độ cơng suất London [5] 12 Hình I-12: Khảo sát số nguồn phát Wifi 14 Hình I-13: Cấu hình đo lượng Wifi 14 Hình I-14: Kết đo lượng Wifi 14 Hình I-15: Nút cảm biến EZ430-RF2500 [12] 16 Hình II-1: Anten đóng vai trị làm thiết bị truyền sóng [30] 20 Hình II-2: Trường gần trường xa phân tích anten 21 Hình II-3: Độ rộng búp sóng [30] 23 Hình II-4: Phân cực sóng xạ [30] 25 Hình II-5: Các hình dạng anten dây 26 Hình II-6: Anten khe (a) anten vi dải (b) 27 Hình II-7: Anten gương anten thấu kính 28 Hình II-8: Anten gương anten thấu kính 29 Hình II-9: Hình ảnh Double cane anten chế tạo 30 vii Hình II-10: Hệ số phản xạ cuả anten kiểu 30 Hình II-11: Hình ảnh Dual band double cane anten chế tạo 31 Hình II-12: Hệ số phản xạ anten anten kiểu 31 Hình II-13: Kết mô giản đồ xạ của anten kiểu 32 Hình II-14: Kết đo giản đồ xạ của anten kiểu 32 Hình II-15: Cấu hình đo đồ thị xạ anten kiểu phịng câm 32 Hình III-1: Cấu trúc mạch chỉnh lưu 34 Hình III-2: Mạch ghim điện áp (Clamping Circuit)[33] 35 Hình III-3: Mạch biến điệu theo tín hiệu đường bao[33] 35 Hình III-4: Cấu trúc nhân đơi điện áp (Voltage doubler) dạng sóng Vout [33] 36 Hình III-5: Cấu trúc nhân đơi điện áp, chỉnh lưu tồn sóng dạng sóng Vout [33] 36 Hình III-6: Cấu trúc nhân áp dạng sóng Vout [34] 37 Hình III-7: Đồ thị hiệu suất chuyển đổi dạng mạch chỉnh lưu N tầng (N=1, 2, 3, 4) 37 Hình III-8: Mặt cắt ngang diode Schottky 38 Hình III-9: Mơ hình tương đương diode Schottky 39 Hình III-10: Mạch lọc DC vi dải 39 Hình III-11: Mối quan hệ hiệu suất mạch chuyển đổi số nguyên nhân tổn hao từ diode [45] 42 Hình III-12: Ảnh hưởng điện áp ngưỡng lên hiệu suất mạch chỉnh lưu 42 Hình III-13: Ảnh hưởng điện áp ngưỡng lên hiệu suất mạch chỉnh lưu 43 Hình III-14: Ảnh hưởng điện áp đánh thủng lên hiệu suất 43 Hình III-15: Ảnh hưởng điện trở lớp tiếp giáp lên điện áp 43 Hình III-16: Ảnh hưởng điện dung lớp tiếp giáp lên hiệu suất chuyển đổi mạch chỉnh lưu43 Hình III-17: Mơ hình hóa diode sử dụng thơng số Spice nhà sản xuất cung cấp [47] 44 Hình III-18: Hình ảnh layout mạch lọc DC 46 Hình III-19: Cấu trúc mạch phối hợp trở kháng 47 Hình III-20: Kết đo mô mạch phối hợp trở kháng 47 Hình III-21: Mạch mơ tối ưu chọn tải 48 Hình III-22: Hiệu suất chuyển đổi theo tải 48 Hình III-23: Mạch layout mạch chỉnh lưu 49 Hình III-24: Hệ số phản xạ mạch chỉnh lưu 49 viii Hình III-25: Kết mơ hiệu suất chuyển đổi mạch chỉnh lưu 49 Hình III-26: Kết mô điện áp mạch chỉnh lưu 50 Hình III-27: Mạch chỉnh lưu dải tần 2.45 GHz chế tạo 50 Hình III-28: Cấu hình đo mạch chỉnh lưu 51 Hình III-29: Điện áp mạch chỉnh lưu theo công suất vào (Pin) 51 Hình III-30: Hiêu suất chuyển đổi mạch chỉnh lưu theo công suất vào (Pin) 52 Hình III-31: Mạch chỉnh lưu dải tần 900 MHz chưa tiểu hình hóa 53 Hình III-32: Mạch chỉnh lưu dải tần 900 MHz tiểu hình hóa 53 Hình III-33: Cấu hình đo mạch chỉnh lưu dải tần 900MHz 53 Hình III-34: Mạch chỉnh lưu dải tần GSM 900MHz ghép với antent thu Bow-tie 53 Hình III-35: Điện áp theo khoảng cách điện thoại anten thu 54 Hình III-36: Mạch chỉnh lưu dải tần 1800 MHz 54 Hình III-37: Hiệu suất theo công suất vào mạch chỉnh lưu dải tần 1800 MHz 54 Hình III-38: Hiệu suất mạch chỉnh lưu dải tần 1800 MHz 55 Hình III-39: Điện áp theo công suất vào mạch chỉnh lưu dải tần 1800 MHz 55 Hình III-40: Mơ mạch chỉnh lưu dải tần 5.8 GHz 55 Hình III-41: Hiệu suất theo công suất vào mạch chỉnh lưu dải tần 5.8 GHz 56 Hình III-42: Điện áp theo công suất vào mạch chỉnh lưu dải tần 5.8 GHz 56 Hình IV-1: Hình ảnh mạch rectenna 58 Hình IV-2: Cấu hình đo rectena 58 Hình IV-3: Cấu hình đo RF-DC với nguồn phát sử dụng routerboard wifi TPlink 59 Hình IV-4: Cấu hình đo Rectenna với nguồn phát sử dụng routerboard wifi TPlink 59 Hình IV-5: Điện áp đo rectenna 2.45 GHz 60 Hình IV-6: Điện áp rectenna theo công suất vào (Pin) 60 Hình IV-7: Hiêu suất chuyển đổi rectenna theo công suất vào (Pin) 60 Hình IV-8: Kết đo rectenna 61 Hình IV-9: Điện áp Rectenna đo tần số 5.8 GHz 61 Hình IV-10: Hiệu suất Rectenna đo tần số 5.8 GHz 61 Hình IV-11: Hệ thống lưu trữ lượng 63 Hình IV-12: Giản đồ hoạt động chân 63 Hình IV-13: Sơ đồ khối IC theo dõi mức điện áp [52] 64 Hình IV-14: Biểu đồ thời gian điện áp RESET [52] 64 ix Hình IV-15: Mạch nguyên lý mạch ghim áp Mạch biến đổi điện áp DC-DC lưu trữ: Khối chuyển đổi điện áp DC-DC (mạch tăng áp boost converter) có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp từ tụ thành mức điện áp cao phổ biến hơn, mức 3V3 Mức điện áp thay đổi nhờ thay đổi giá trị điện trở kèm Khối lưu trữ có tác dụng lưu trữ lượng mức điện áp mong muốn để sử dụng cho mục đích khác Để lưu trữ lượng dùng tụ hóa, siêu tụ pin có khả sạc lại Mạch tăng áp có nhiệm có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp từ tụ thành mức điện áp cao phổ biến Linh kiện lựa chọn để thực nhiệm vụ IC PCC210 Powercast, thiết kế để tăng mức điện áp thấp cách hiệu quả, cho phép thay đổi mức điện áp mong muốn để cung cấp cho tải 65 Hình IV-16: Mạch nguyên lý mạch biến đổi điện áp DC-DC Cơng thức tính tốn giá trị điện trở quy định mức điện áp phụ thuộc vào giá trị điện trở R1, R2 𝑅1 𝑅2 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 −1 CT IV-2 𝑅1 𝑅2 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 −1 CT IV-3 1.21 1.21 Giá trị R1 khuyến nghị 1MΩ, điện trở nối VOUT VSET [53] Với VOUT = 3.3V, R2 = 578.9 kΩ (lựa chọn giá trị 576 kΩ) Với VOUT = 4.2V, R2 = 404.7 kΩ (lựa chọn giá trị 407 kΩ) Việc lựa chọn thành phần lưu trữ lượng quan trọng nơi lượng điện chiều sau Rectenna tích trữ lại để chờ đưa vào mạch tăng áp Yếu tố cần xem xét hàng đầu thời gian sạc xả tụ liên quan đến độ ổn định điện áp đầu Trong thiết kế tác giả sử dụng tụ hóa 2200 µF siêu tụ 47 mF Việc lựa chọn tụ cần quan tâm đặc biệt đến thơng số dịng rị điện trở tương đương (ESR) Bảng IV-3: Các loại tụ điện sử dụng Giá trị tụ (µF) Dịng rị (µA) 2200 47000 ESR (Ω) 50 Nguyên lý hình ảnh thực tế hệ thống lưu trữ lượng thể hình IV-18 IV-19 66 Hình IV-17: Mạch nguyên lý hệ thống mạch lưu trữ lượng (a) mạch layout (b)mạch chế tạo Hình IV-18: Mạch layout hệ thống mạch lưu trữ lượng Mạch ghép nối với Rectenna hoạt động dải tần 2.45 GHz để tạo thành hệ thống phục hồi lượng sóng điện từ hồn chỉnh Hình IV-19 miêu tả cấu hình đo hệ thống lưu trữ lượng Điện áp đầu ổn định với điện áp đầu 3.4 Vdc trường hợp đặt Rectenna cách nguồn phát 100 cm 67 Hình IV-19: Cấu hình đo điện áp biến đổi điện áp DC-DC ghép với Rectenna 2.45 GHz trường gần IV.3 Ứng dụng nút cảm biến đơn giản Dựa đánh giá phân tích nút cảm biến không dây (mục I.4) điều kiện có Việt Nam, tác giả đề xuất cấu trúc phần cứng nút cảm biến không dây trình bày cụ thể mục Phần cứng bao gồm linh kiện phổ biến nay, có cơng suất tiêu thụ thấp Phần cứng hồn tồn sử dụng lại cho nghiên cứu thực nghiệm khác lĩnh vực mạng cảm biến không dây Hình IV-20: Cấu trúc nút cảm biến không dây Mỗi nút cảm ứng cấu thành thành phần bản: khối cảm biến, khối xử lý, khối truyền thông Khối cảm biến sử dụng cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm SHT10 [54] Cảm biến cung cấp nguồn 3.3V dòng tiêu thụ lớn cảm biến 1mA 68 Khối truyền thông sử dụng công nghệ Zigbee với ưu điểm tiết kiệm lượng Sau tiến hành khảo sát loại module có sẵn thị trường Việt Nam; tác gải lựa chọn module MRF24J40 với TX 23mA, RX 19 mA Khối vi điều khiển sử dụng dịng vi điều khiển có cơng suất tiêu thụ thấp tác giả lựa chọn vi điều khiển MSP430F5438A Sau thiết kế khối nút cảm biến, tác giả thực mạch layout cho toàn nút cảm biến Hình ảnh layout mạch thật nút cảm biến thể Hình IV-21 Hình IV-22 Hình IV-21: Mạch layout cho nút cảm biến 69 Hình IV-22: Hình ảnh thật nút cảm biến Sau hoàn thành việc thiết kế nút cảm biến, tác giả tiến hành ghép nối với hệ thống phục hồi sóng điện từ Hệ thống phục hồi sóng điện từ ghép từ Rectenna hoạt động dải tần 2.45 GHz với hệ thống lưu trữ lượng có mạch ghim áp Hiện tại, tác giả sử dụng tụ điện thành phần lưu trữ Nút cảm biến có nguồn cung cấp từ hệ thống phục hồi sóng điện từ hoạt động chế độ đơn giản bật led đơn có led nguồn báo Trong trường hợp này, tác giả để hệ thống trường gần Hình ảnh minh họa hệ thống hoàn chỉnh thể Hình IV-23 Hình IV-23: Ghép nối nút cảm biến với hệ thống phục hồi sóng điện từ Cơng suất tiêu thụ nút cảm biến với chế độ hoạt động tính tổng cơng suất vi điều khiển chế độ tích cực cơng suất điện điện trở, đèn led Công suất tiêu thụ cặp LED – điện trở: 𝑃𝐿𝐸𝐷−𝑟𝑒𝑠 = 𝑃𝐿𝐸𝐷 + 𝑃𝑟𝑒𝑠 = 𝐼 𝑉𝐿𝐸𝐷 + 𝑅 𝐼2 Trong dịng điện I tính sau: 70 CT IV-4 𝐼 = (3.3 − 𝑉𝐿𝐸𝐷 )/𝑅 CT IV-5 Theo cơng thức tính được: dịng điện chảy qua LED 0.9 mA; công suất tiêu thụ tổng cộng mW Dòng vi điều khiển MSP430 [55], chế độ hoạt động tích cực, cơng suất tiêu thụ 1.65 mW nhỏ so với công suất tiêu thụ cặp LED – điện trở Tổng công suất tiêu thụ theo tính tốn lý thuyết 7.65 mW IV.4 Kết luận Chương trình bày phép đo Rectenna dải tần 2.45 GHz Kết đo Rectenna cho thấy thiết bị hoạt động tốt có khả chuyển đổi thành nguồn điện chiều Ở dải tần 2.45 GHz, điện áp hiệu suất chuyển đổi đo mô với công suất vào -10 dBm (Vout 420mV, hiệu suất Efficiency 45%) Thêm vào đó, tác giả tiến hành đo dải tần 5.8 GHz có kết điện áp mạch 160 mV, hiệu suất chuyển đổi 6.5% với công suất vào -10 dBm Tác giả phân tích tổng quan hệ thống lưu trữ lượng hoàn chỉnh Hệ thống sử dụng mạch ghim áp để tạo thành hệ thống lưu trữ hoàn chỉnh với điện áp ổn định 3.4 Vdc làm nguồn cung cấp ổn định cho nút cảm biến hoạt động chế độ bật đèn led đơn 71 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết đạt Trong q trình nghiên cứu hồn thiện luận văn, tác giả đạt kết sau: Tìm hiểu, phân tích nguồn lượng sóng điện từ có mơi trường thơng qua nghiên cứu khảo sát tự khảo sát thiết bị phân tích phổ Nắm vững lý thuyết, cấu trúc Rectenna hoàn thiện với anten thu mạch chỉnh lưu Các thành phần Rectenna thiết kế, mô đo đạc đánh giá chi tiết dải tần 2.45 GHz Các dải tần khác dừng lại kết mô kết đo chưa đánh giá chi tiết Mơ hình hóa phần tử tính tốn chi tiết, sau mô phần mềm ADS qua hai công cụ mô thông thường mô Co-Simulation Riêng anten thu feed cho chỉnh lưu đa tần thiết kế mơ phần mềm CST Hồn thành thiết kế, chế tạo đo đạc anten thu (kiểu kiểu 2) Các kết giống với kết mơ có đồ thị xạ dạng omni tần số 2.45 GHz Cũng giống anten kiểu có tần số cộng hưởng 2.45 GHz, anten kiểu hoạt động tần số 5.8 GHz nhờ thay đổi cấu trúc Các kết kiểm chứng thông qua đo đạc ghép nối với thiết bị thu phát sóng Phân tích, tính tốn, thiết kế đo đạc chi tiết mạch chỉnh lưu hoạt động dải tần 2.45 GHz với công suất vào -10 dBm Mạch có kết tốt, cơng suất đầu vào -10 dBm, hiệu suất chuyển đổi 39%, điện áp đo 360 mV Điện áp lớn mạch lên tới 2.4 Vdc Các mạch chỉnh lưu dải tần 900 MHz, 1800 MHz, 5.8 GHz hồn thành mơ Mạch dải tần 900 MHz 1800 Mhz đạt mục tiêu đặt Mạch chỉnh lưu dải tần 900 MHz chế tạo đo đạc với điện áp 528 mV với khoảng cách 120 cm Một Rectenna hoàn chỉnh dải tần 2.45 GHz ghép từ anten thu kiểu mạch chỉnh lưu Ở dải tần 2.45 GHz, điện áp hiệu suất chuyển đổi đo 72 mô với công suất vào -10 dBm (Vout 420mV, hiệu suất Efficiency 45%) Thêm vào đó, tác giả cịn tiến hành đo dải tần 5.8 GHz có kết điện áp mạch 160 mV, hiệu suất chuyển đổi 6.5% với công suất vào -10 dBm Một hệ thống mạch lưu trữ lượng hoàn chỉnh thiết kế chế tạo cải tiến với mạch ghim áp Hiện tại, hệ thống lưu trữ ghép với Rectenna dải tần 2.45 GHz tạo điện áp chiều ổn định 3.4 Vdc đủ cung cấp cho nút cảm biến hoạt động trường hợp đơn giản sáng led đơn liên tục Hệ thống sử dụng siêu tụ làm thiết bị lưu trữ Hướng phát triển Do thời gian nghiên cứu ngắn nên luận văn chưa hoàn thành việc chế tạo đo đạc Rectenna dải tần khác 2.45 GHz Rectenna đa tần Cơng việc cần tính tốn mơ chi tiết nữa, sau chế tạo đo đạc Ngoài cần phải phải khảo sát chi tiết nguồn lượng dải tần Thêm vào nghiên cứu thiết kế anten thu phù hợp cho Rectenna dải tần Thử nghiệm hệ thống phục hồi lượng cung cấp cho nút cảm biến hoạt động đầy đủ chức năng: đo, xử lý truyền thông tin Thay Pin có khả sạc vào phần lưu trữ tụ điện Hoàn thiện nút cảm biến khơng dây tự chủ hồn tồn với cục pin công tắc chuyển mạch để chọn Pin sạc Pin cung cấp nguồn cho nút cảm biến Điều quan trọng, nút cảm biến hoạt động liên tục mà không bị ảnh hưởng nguồn điện Nghiên cứu, thiết kế tối ưu Rectenna mức công suất vào khác nhau, mức công suất vào nhỏ -10 dBm nhằm phục hồi lượng sóng điện từ vùng có mật độ cơng suất thấp 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N Correal and N Patwari, “Neiyer Correal and Neal Patwari Florida Communications Research Labs Motorola Labs 8000 West Sunrise Blvd, Rm 2141 Plantation, FL 33322,” p [2] W C Brown, “The History of Power Transmission by Radio Waves,” IEEE Trans Microw Theory Tech., vol 32, no 9, pp 1230–1242, Sep 1984 [3] C Mikeka and H Arai, “Design Issues in Radio Frequency Energy Harvesting System,” 2011 [4] “Radiant Energy: Unraveling Tesla’s Greatest Secret by Ken Adachi (June 1, 2001).” [Online] Available: http://educate-yourself.org/fe/radiantenergystory.shtml [Accessed: 28-May-2017] [5] J Tavares et al., “Spectrum opportunities for electromagnetic energy harvesting from 350 mhz to ghz,” 2013, pp 126–130 [6] H J Visser, A C F Reniers, and J A C Theeuwes, “Ambient RF Energy Scavenging: GSM and WLAN Power Density Measurements,” 2008, pp 721–724 [7] H Sun, Y Guo, M He, and Z Zhong, “A Dual-Band Rectenna Using Broadband Yagi Antenna Array for Ambient RF Power Harvesting,” IEEE Antennas Wirel Propag Lett., vol 12, pp 918–921, 2013 [8] M H Islam et al., “Spectrum Survey in Singapore: Occupancy Measurements and Analyses,” 2008, pp 1–7 [9] A S Andrenko, Xianyang Lin, and Miaowang Zeng, “Outdoor RF spectral survey: A roadmap for ambient RF energy harvesting,” 2015, pp 1–4 [10] N Q B Vo, Q C Le, Q P Le, D T Tran, T Q Nguyen, and M T Lam, “Vietnam spectrum occupancy measurements and analysis for cognitive radio applications,” 2011, pp 135–143 [11] Thi Duyen Bui, Van Duc Ngo, Ba Hieu Nguye, Quoc Cuong Nguyen, and Minh Thuy Le, “Design of beam steering antenna for localization applications,” 74 presented at the ISAP, Antennas and Propagation (ISAP), 2016 International Symposium on, 2016 [12] “EZ430-RF2500T MSP430 2.4-GHz Wireless Target Board | TI.com.” [Online] Available: http://www.ti.com/tool/EZ430-RF2500T [Accessed: 08-May2018] [13] “EZ430-RF2500T MSP430 2.4-GHz Wireless Target Board | TI.com.” [Online] Available: http://www.ti.com/tool/EZ430-RF2500T [Accessed: 08-May2018] [14] R Scheeler, S Korhummel, and Z Popovic, “A Dual-Frequency Ultralow- Power Efficient 0.5-g Rectenna,” IEEE Microw Mag., vol 15, no 1, pp 109–114, Jan 2014 [15] B L Pham and A.-V Pham, “Triple bands antenna and high efficiency rectifier design for RF energy harvesting at 900, 1900 and 2400 MHz,” 2013, pp 1– [16] V Kuhn, C Lahuec, F Seguin, and C Person, “A Multi-Band Stacked RF Energy Harvester With RF-to-DC Efficiency Up to 84%,” IEEE Trans Microw Theory Tech., vol 63, no 5, pp 1768–1778, May 2015 [17] K Kaviarasu and V Ganesh, “Design and simulation of a 900 MHz rectifier for Rectenna application,” 2015, pp 0754–0756 [18] C Song, Y Huang, J Zhou, J Zhang, S Yuan, and P Carter, “A High- Efficiency Broadband Rectenna for Ambient Wireless Energy Harvesting,” IEEE Trans Antennas Propag., vol 63, no 8, pp 3486–3495, Aug 2015 [19] Z Liu, Z Zhong, and Y.-X Guo, “Enhanced Dual-Band Ambient RF Energy Harvesting With Ultra-Wide Power Range,” IEEE Microw Wirel Compon Lett., vol 25, no 9, pp 630–632, Sep 2015 [20] D Wang and R Negra, “Design of a dual-band rectifier for wireless power transmission,” 2013, pp 127–130 75 [21] E Khansalee, Y Zhao, E Leelarasmee, and K Nuanyai, “A dual-band rectifier for RF energy harvesting systems,” 2014, pp 1–4 [22] J H Kim, J Bito, and M M Tentzeris, “Design optimization of an energy harvesting RF-DC conversion circuit operating at 2.45GHz,” 2015, pp 1280–1281 [23] T Mitani, S Kawashima, and T Nishimura, “A feasibility study on a voltage- doubler-type rectenna,” 2016, pp 1–3 [24] H Sun and W Geyi, “A New Rectenna With All-Polarization-Receiving Capability for Wireless Power Transmission,” IEEE Antennas Wirel Propag Lett., vol 15, pp 814–817, 2016 [25] J H Kim, J Bito, and M M Tentzeris, “Design optimization of an energy harvesting RF-DC conversion circuit operating at 2.45GHz,” 2015, pp 1280–1281 [26] C.-H K Chin, Q Xue, and C H Chan, “Design of a 5.8-GHz Rectenna Incorporating a New Patch Antenna,” Antennas Wirel Propag Lett., vol 4, no 1, pp 175–178, Dec 2005 [27] K Nishida et al., “5.8 GHz high sensitivity rectenna array,” 2011, pp 19–22 [28] C Yu, F Tan, and C Liu, “A C-band microwave rectenna using aperture- coupled antenna array and novel Class-F rectifier with cavity,” J Electromagn Waves Appl., vol 29, no 8, pp 977–991, May 2015 [29] X.-B Huang, J.-J Wang, X.-Y Wu, and M.-X Liu, “A dual-band rectifier for low-power Wireless Power Transmission system,” 2015, pp 1–3 [30] C A Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design John Wiley & Sons, 2016 [31] Ning Zhu and R W Ziolkowski, “Metamaterial-inspired, near-field resonant parasitic GPS antennas: Designs and experiments,” 2011, pp 658–660 [32] C.-C Lin, P Jin, and R W Ziolkowski, “Multi-Functional, Magnetically- Coupled, Electrically Small, Near-Field Resonant Parasitic Wire Antennas,” IEEE Trans Antennas Propag., vol 59, no 3, pp 714–724, Mar 2011 76 [33] “Wireless Power Transmission,” in Design and Optimization of Passive UHF RFID Systems, Springer US, 2007, pp 3–15 [34] D Pavone, A Buonanno, M D’Urso, and F Della Corte, “Design Considerations for Radio Frequency Energy Harvesting Devices,” Prog Electromagn Res B, vol 45, pp 19–35, 2012 [35] H Sun, Y x Guo, M He, and Z Zhong, “A Dual-Band Rectenna Using Broadband Yagi Antenna Array for Ambient RF Power Harvesting,” IEEE Antennas Wirel Propag Lett., vol 12, pp 918–921, 2013 [36] M J Nie, X X Yang, and G N Tan, “A broad band rectifier with wide input power range for electromagnetic energy harvesting,” in Proceedings of 2014 3rd Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation, 2014, pp 1187–1189 [37] J Shin, M Seo, J Choi, J So, and C Cheon, “A Compact and Wideband Circularly Polarized Rectenna with High Efficiency at X-Band,” Prog Electromagn Res., vol 145, pp 163–173, 2014 [38] B L Pham and A.-V Pham, “Triple bands antenna and high efficiency rectifier design for RF energy harvesting at 900, 1900 and 2400 MHz,” 2013, pp 1– [39] D Wang and R Negra, “Design of a dual-band rectifier for wireless power transmission,” 2013, pp 127–130 [40] R Scheeler, S Korhummel, and Z Popovic, “A Dual-Frequency Ultralow- Power Efficient 0.5-g Rectenna,” IEEE Microw Mag., vol 15, no 1, pp 109–114, Jan 2014 [41] E Khansalee, Y Zhao, E Leelarasmee, and K Nuanyai, “A dual-band rectifier for RF energy harvesting systems,” 2014, pp 1–4 [42] C Song, Y Huang, J Zhou, J Zhang, S Yuan, and P Carter, “A High- Efficiency Broadband Rectenna for Ambient Wireless Energy Harvesting,” IEEE Trans Antennas Propag., vol 63, no 8, pp 3486–3495, Aug 2015 77 [43] J H Kim, J Bito, and M M Tentzeris, “Design optimization of an energy harvesting RF-DC conversion circuit operating at 2.45GHz,” 2015, pp 1280–1281 [44] “Wiley: Semiconductor Devices: Basic Principles - Jasprit Singh.” [Online] Available: http://www.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd- 047136245X.html [Accessed: 12-May-2017] [45] “Harvesting Wireless Power: Survey of Energy-Harvester Conversion Efficiency in Far-Field, Wireless Power Transfer Systems,” IEEE Microw Mag., vol 15, no 4, pp 108–120, Jun 2014 [46] T.-W Yoo and K Chang, “Theoretical and experimental development of 10 and 35 GHz rectennas,” IEEE Trans Microw Theory Tech., vol 40, no 6, pp 1259– 1266, Jun 1992 [47] “SKYWORKS : Products : SMS7630 Series.” [Online] Available: http://www.skyworksinc.com/Product/511/SMS7630_Series [Accessed: 09-May2016] [48] J.-K Huang and S.-Y Chen, “A compact slot loop rectenna for dual-band operation at 2.4- and 5.8-GHz bands,” 2016, pp 411–412 [49] G Andia Vera, A Georgiadis, A Collado, and S Via, “Design of a 2.45 GHz rectenna for electromagnetic (EM) energy scavenging,” 2010, pp 61–64 [50] ‘Down “TPS61200 0.3V Input Voltage Boost Converter with 1.3A Switches and Mode’ in 3x3 QFN | TI.com.” [Online] Available: http://www.ti.com/product/TPS61200 [Accessed: 12-Apr-2018] [51] “BQ25504 Ultra Low Power Boost Converter with Battery Management for Energy Harvester | Nano-Power Management | TI.com.” [Online] Available: http://www.ti.com/product/BQ25504 [Accessed: 13-Apr-2018] [52] “NCP302 - Voltage Detector Series,” p 26 [53] “Powerharvester Receivers,” Powercast Co [54] SENSIRION, “SHT1x,” 2011 [55] Texas Instruments, “MSP430 microcontroller,” 2011 78 79 ... 1Vdc Thiết kế nút cảm biến không dây đơn giản Nút cảm biến ghép nối với hệ thống lưu trữ lượng Hệ thống lưu trữ lượng phải đáp ứng đủ cho ứng dụng nhỏ nút cảm biến: sáng led đơn 18 I.7 Kết luận Trong. .. GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGÔ VĂN ĐỨC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ RECTENNA ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG RFID VÀ CÁC NÚT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TỰ CHỦ NĂNG LƯỢNG Chuyên... mạng cảm biến khơng dây cịn phần tử quạn trọng hệ thống IoT Một mạng cảm biến không dây chứa nhiều nút cảm biến không dây Một nút cảm biến bao gồm mạch xử lý, truyền thông không dây, cảm biến