Nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm mô đun truyền năng lượng không dây trên dải sóng siêu cao tần ở khoảng cách gần dùng cho hệ thống khai thác năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI BÁO CÁO TỒNG KẾT KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐÈ TÀI KH&CN CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tên đề tài: Tên đề tài Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm mô đun truyền Dăng lượng khơng dây dải sóng siêu cao tần khoảng cách gần, dùng cho hệ thống khai thác lượng mặt trời Mã SỔ đề tài: QG.15.27 Chủ nhiệm đề tài: GS.TS Bạch Gia Dương Hà Nội, 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI BÁO CÁO TÔNG KÉT K ÉT QUẢ THựC HIỆN ĐỀ TÀI KH&CN CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tên đề tài: Tên đề tài Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm mô đun truyền lượng khơng dây dải sóng siêu cao tần khoảng cách gần, dừng cho hệ thống khai thác lượng mặt tròi Mã số đề tài: QG.15.27 Chủ nhiệm đề tài: GS.TS Bạch Gia Dương ĐAI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ; ỈRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN ! C f r j i o o m Hà Nội, 2017 v n Mục lục C ác c h ữ v iế t t ắ t Phần I T h ô n g tin c h u n g P han II T ô n g q u a n k ế t q u ả n g h iê n c ứ u Phần III Sản phẩm , công bố kết đề tà i 29 Phần IV T h ọ p kết K H & C N đào tạo đề tà i 32 Phần V T ình hìn h sử dụng kinh p h í 33 Phần VI K iến n g h ị 33 Phần phụ lục chuyên đề nah iên c ứ u 34 Chuyên đê T ô n g quan cơng nghệ mơ hình truyền lượng k h n g dây dải sóng siêu cao tầ n 35 Chuyên đề R e c te n n a 52 Chuyên đề A n ten m ạch d ả i 59 C h u y ên đề K e t q u ả m ô p h ỏ n g v k ế t q u r đo tu y ế n th u p h t s iê u c a o tầ n 2.4 G H z 83 Chuyên đề Đ ánh giá hiệu suất truyền lượng không dây khoảng cách gần 93 Ket công b ố 103 Kết đào tạ o 131 T v iế t tắ t - Vệ tinh lượng mặt trời (Solar Power Satellite - SPS) - Truvền dẫn lượng không dây WPT (Wừeless Power Transmission) - Truyền lượng sử dụng sóng siêu cao tần MPT (Microwave Power Transmission) - Hệ thống thu chùm tia vi ba mặt đất ma trận antenna thu tín hiệu vi ba chỉnh lưu kết hợp với nhau, gọi rectena - anten tích hợp tích cực ALA (Active Integrated Antenna) PHÀN I THÔNG TIN CHUNG 1.1 Tên đề tài: Nghiên cửu thiết kế chế tạo thừ nghiệm mô đun truyền lượng không dây dải sóng siêu cao tần khoảng cách gần, dùng cho hệ thống khai thác nảng lượng mặt tròi 1.2 Mã số: QG.15.27 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Chức danh, học vị, họ tên Đơn vị cống tác GS.TS Bạch Gia Dương Trung tâm N/C ĐTVT Trường ĐHCN- ĐHQGHN TS Vũ Tuấn Anh Trung tâm N/C ĐTVT Trường ĐHCN Trung tâm N/C ĐTVT Trường ĐHCN Trung tâm N/C ĐTVT Trường ĐHCN Trung tâm N/C ĐTVT Trường ĐHCN Trung tâm N/C ĐTVT Trường ĐHCN ThS- NCS Trần Văn Hội ThS- NCS Đoàn Hữu Chức ThS- NCS Bạch Hồng Giang ThS- NCS Nguyễn Đình Thế Anh Vai trò thực đề tài Chủ nhiệm đề tài Tham gia đề tài Tham gia đề tài Tham gia đề tài Tham gia đề tài Tham gia đề tài 1.4 Đom vị chủ trì: Trường Đại học Cơng nghệ - ĐHQGHN 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: 24 tháng từ tháng 01 năm 2015 đến tháng 12 năm 2016 1.5.2 Gia hạn (nếu có): khơng 1.5.3 Thực thực tế: Toàn nội dung thực từ tháng 01 năm 2015 đến tháng 12 năm 2016 Tuy nhiên thời gian làm báo cáo tổng kẹt đề tài bị chậm 1.6 Những thay đỗi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): Khơng (về mục tiêu, nội dung, phương pháp, két nghiên cửu tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến Cơ quan quản lý) 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài:.400 triệu đồng PHÀN n TỎNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN cứu Viết theo cấu trúc báo khoa học tổng quan từ 6-15 trang (báo cáo sỗ đăng tạp chí khoa học ĐHQGHN sau đề tài nghiệm thu), nội dung gồm phần: Đặt vấn đề Truyền dẫn lượng không dây (Wừeless Energy Transfer) hay cịn gọi truyền cơng suất không dây WPT (Wireless Power Transmission giải pháp đầy triển vọng trường hợp cần truyền lượng tới nơi có địa hình hiểm trở, hải đảo truyền lượng từ vũ trụ trái đất, v.v Nếu sóng điện từ sử dụng có tần số nằm dải sóng viba gọi truyền lượng sử dụng sóng viba MPT (Microwave Power Transmission) Một ứng dụng muốn hướng tới MPT sử dụng cho hệ thống truyền lượng mặt trời từ vệ tinh thu lượng mặt trời SPS (Solar Power Satellite) vũ trụ truyền trái đất vấn đề khai thác lượng có lượng mặt trời sử dụng vệ tinh SPS nhiều quốc gia quan tâm nghiên cứu Nghiên cứu truyền lượng khơng dây sử dụng sóng siêu cao tần khoảng cách gần với mục tiêu cung cấp nguồn ni tị xa nạp điện cho thiết bị điện tử hoạt động điều kiện cấp nguồn nuôi trực tiếp từ nguồn điện lưới, ví dụ robot hoạt động khu vực mà người trực tiếp tiếp xúc cần thiết nạp điện cho thiết bị bay không người lái, chế tạo thiết bị nạp điện không dây khu vực xác định cho nhiều thiết bị điện tử xách tay V V Ngoài việc nghiên cứu làm chủ công nghệ phát chùm tia siêu cao tần cơng suất lớn có ý nghĩa quan trọng ứng dụng tác chiến điện tử, có khả chế áp gây nhiễu cho thiết bị điện tử đối phương Đề tài QG 15.27 với nội dung triển khai nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm mô đun truyền lượng không dây ứên dải són^ siêu cao tần 2.45 GHz, đánh giá hiệu suất truyền lượng không dây khoảng cách gần Hiệu suất truyền lượng không dây phụ thuộc vào nhiều yếu tố, khác Đe đánh giá hiệu suất truyền lượng không dây, cần thiết phải xây dựng đồng hệ thống phát hệ thống thu Hệ thống phát bao gồm tạo dao động 2.45 GHz, khuếch đại công suất, phối hợp trở kháng để truyền tới anten phát Hệ thống thu cơng suất siêu cao tần cịn gọi Rectenna bao gồm anten thu, phối hợp trờ kháng, lọc tần số 2.45 GHz, chỉnh lưu siêu cao tần, lọc thông thấp lấy điện áp chiều DC đưa tải trở Kết nghiên cứu thiết kể chế tạo đồng hệ thống thu phát thử nghiệm đánh giá hiệu suất truyền lượng siêu cao tần sỗ mở nhiều khả ứng dụng thực tế sản xuât, đời sống an ninh quốc phòng Mục tiêu - Nghiên cứu thiết kế, mô chế tạo mô đun phát siêu cao tần 2.45 GHz, phát thử nghiệm thu, chỉnh lưu khoảng cách gần nhằm đánh giá hiệu suất truyền lượng khơng day - Đề xuất mơ hình truyền công suất lớn phục vụ cho hệ thống truyền lượng không dây Phương pháp nghiên cứu - Thiết kế, mô khối chức tiền khuếch đại công suất, khuếch đại công suất - Thiết kế mô anten mảng dùng cho hệ thống thu phát Tổng kết kết nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế mô chế tạo đồng hệ thống truyền lượng không dây ứên dải sóng siêu cao tần băng s, tần số 2.45GHz Hệ thống bao gồm tuyến phát tuyến thu (Rectenna) Tuyến phát bao gồm khối chức biến đổi điện áp chiều DC (tương đương nguồn chiều lấy từ nguồn lượng mặt trời) thành dao động siêu cao tần 2.45 GHz Bộ biến đổi DC thành dao động 2.45 GHz thực nhờ mạch vịng khóa pha (PLL) điều khiển dao động với tần số phụ thuộc vào điện áp (VCO) Dao động 2.45 GHz khuếch đại đủ lớn nhờ khối tiền khuếch đại với công suất 2W để kích tầng khuếch đại cơng suất Tín hiệu lối tầng tiền khuếch đại đua tới khối kích khuếch đại cơng suất 45W cuối khuếch đại công suất 130W Dao động siêu cao tần với công suất lớn đưa tới anten phát không gian Tuyến thu (Rectenna) bao gồm anten thu, lọc phối hợp trở kháng, chinh lưu siêu cao tần, lọc thông thấp đưa điện áp chiều tới tải thuan trở Trên sở hệ thống thu phát thiết kế, chế tạo, tích hợp đồng bộ, tổ đề tài tiến hành thử nghiệm hệ thonj* thu phát siêu cao tần, đánh giá hiệu suất hệ thông truyền lượng không dây đieu kiện xác định đưa cấu trúc hệ thống truyền lượng công suất lơn cho ứng dụng thực tế 4.1 XÂY DựNG HỆ THỐNG PHÁT NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TÀN 4.1.1 Thiết kế chế tạo biến đỗi DC thành dao động siêu cao tần 2.45 GHz • Sơ đồ nguyên lý tạo dao động với PLL trình bày hình 4.1 • Hình 4.1 Mạch in PCB trình bày hình 4.2 Hình 4.2 • Bộ dao động v c o thiết kế linh kiện JFET siêu cao tần loại SHF3043 theo kiểu ba điểm điện dung Sơ đồ nguyên lý dao động 2.45 GHz trinh bày phụ lục • Hộp vỏ bọc kim chống nhiễu v c o trình bày hình 4.3 Hình 4.3 • Kết đo tần số phụ thuộc vào điện áp công suất v c o với ừở kháng 50 Q trình bày bảng 4.1 Vt(V) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 F(GHz) P(dBm) 1,692 1,746 1,800 1,860 1,914 1,974 2,034 2,094 14.3 14 13.7 13 13.4 12.1 12.1 11.8 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 6.61 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.42 2,154 2,208 2,268 2,322 2,382 2,436 2,450 2,496 2,550 2,604 2,664 2,724 2,784 2,844 2,894 2,952 3,000 11.2 11 11.3 10.8 10 10.2 9.9 8.6 8.9 10.6 10.2 10.3 8.5 3.4 5.3 6.4 Bảng 4.1 Đồ thị hình 4.4 biểu diễn phụ thuộc tần số vào điện áp điều khiển cùa vco 3,500 1,000 500 o t n o i f l o m oi /^ oi n oi n oi /j f HO t no t no in o tn o Qj Õ Vt(Volt) Hình 4.4 4.1.2 Thiết kế chế tạo tiền khuếch đại cơng suất tầng • Tầng (Sử dụng transistor SGA9189) o Sơ đồ nguyên lý trình bày hình 4.5 H H H n Hình 4.5 o Kết mơ tham số s hình 4.6 cho khả phối hợp trở kháng tốt tần số 2.45 GHz m4 f r e q = G H z d B ( S ( 1) ) = - 2 m2 r e q - 0GHz d B( s ( 2 ) ) - - f r «q , GHz m3 f r e q = 0GHz dB( s (1 ) ) =- 18 329 m1 í r « q - 450GHz d B( ( 1 ) ) » - mõ í r e q - GH Va w r ( s 11) ■ f r e q GHz í r e q = 450GHz v s w r ( S 2 ) = ■207 • Hình 4.6 Tầng (Sử dụng transistor SHF0589) Sơ đồ nguyên lý trình bày hình 4.7 VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI UNIVERSITY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY Nguyen Van Nam Research, Design and Fabrication of a s -Band Rectenna, using Yagi Antenna for Wireless Power Transmission System Major: Faculty of Electronics and Telecommunications Supervisor: Assoc Prof Bach Gia Duong HA N O I-2016 ĐẠI HỌC QUÓC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHAM DƯY THIÊN • • NGHIÊN CỬU THIẾT KẾ CHÉ TẠO ANTEN MẢNG QUASI YAGI 2X2 PHẦN TỬ 2.45 GHZ DỪNG CHO HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHƠNG DÂY ĐỊ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ điện tử viễn thơng HÀ NỘI - 2016 ĐẠI HỌC QƯĨC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM DUY THIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KÉ CHÉ TẠO ANTEN MẢNG QUASI-VAGI 2X2 PHẦN TỬ 2.45 GHZ DÙNG CHO HỆ THÓNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHƠNG DÂY ĐỊ ÁN TĨT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ điện tử viễn thơng Cán hướng dẫn: PGS.TS Bạch Gia Dương HÀ N Ộ I -2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN LUẬT NGHIÊN CỨU THIẾT KÉ VÀ CHẾ TẠO B ộ TIÈN KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT 1W-2.45 GHZ DÙNG CHO HỆ THÔNG TRUYÈN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY Ở KHOẢNG CÁCH GẦN ĐỊ ÁN TĨT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ điện tử viễn thơng HÀ N Ộ I -2016 ĐẠI HỌC QC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN LUẬT NGHIÊN CỨU THIẾT KÉ VÀ CHẾ TẠO B ộ TIÊN KHƯÉCH ĐẠI CÔNG SUÁT 1W-2.45 GHZ DÙNG CHO HỆ THỐNG TRUYÈN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY Ở KHOẢNG CÁCH GẦN ĐỒ ÁN TĨT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ điện tử viễn thông Cán hướng dẫn: PGS.TS Bạch Gia Dương HÀ N Ộ I -2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ ĐỨC BÌNH NGHIÊN CỨU THIẾT KÉ CHÉ TẠO BỘ• BỘ• LỌC • • BĂNG HẸP 2.45 GHZ DỪNG CHO HỆ THỐNG TRUYỀN NÃNG LƯỢNG KHƠNG DÂY ĐỊ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ điện tử viễn thông HÀ N Ộ I -2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ ĐỨC BÌNH NGHIÊN CỨU THIÉT KẾ CHÉ TẠO BỘ• B ộ• LỌC • • BĂNG HẸP 2.45 GHZ DÙNG CHO HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHƠNG DÂY ĐỒ ÁN TĨT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ điện tử viễn thông Cán hướng dẫn: PGS.TS Bạch Gia Dương HÀ NỘI - 2016 ĐẠI HỌC QUÓC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ v ủ TÀI PHI NGHIÊN CỨU THIÉT KỂ CHÉ TẠO B ộ CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT LỚN 2.45 GHZ DÙNG CHO HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY Ở KHOẢNG CÁCH GẦN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ điện tử viễn thơng HÀ NỘI - 2016 ĐẠI HỌC QC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ TÀI PHI NGHIÊN CỨU THIÉT KÉ CHÉ TẠO BỘ CHỈNH Lưu CÔNG SUẤT LỚN 2.45 GHZ DÙNG CHO HỆ THỐNG TRUYẺN NĂNG LƯỢNG KHƠNG DÂY Ở KHOẢNG CÁCH GẦN ĐỊ ÁN TĨT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ• CHÍNH QUY • • • 'VNgành: Công nghệ điện tử viễn thông Cán hướng dẫn: PGS.TS Bạch Gia Dương HÀ N Ộ I -2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Đào Duy Thưòng NÂNG CAO HIỆU SUẤT BIẾN ĐỒI NĂNG LƯỢNG 2,45 GHZ THÀNH NĂNG LƯỢNG MỘT CHIÈU • • ĐỒ ÁN TĨT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ• CHÍNH QUY • • • Ngành:Cơng nghệ điện tử viễn thơng HÀ N Ộ I -2015 ĐẠI HỌC QUÓC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Đào Duy Thường NÂNG CAO HIỆU SUẤT BIÉN ĐÒI NĂNG LƯỢNG 2,45 GHZ THÀNH NĂNG LƯỢNG MỘT CHIÈU • • ĐỊ ÁN TĨT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành:Cơng nghệ điện tử viễn thông Cán hướng dẩn:PGS.TS Bạch Gia Dương HÀ N Ộ I-2015 2016 In te rn a tio n a l C onference on A dvanced Technologies for C o m m unica tions (ATC) Hi M E A SU R E M E N T R ESU LTS I!" slio w s the fabricated transceiver m odule Its core h;i I (im pact size o f “ 5 mm w hich is suitab le for portable ill c v The proposed transceiver can be attached directly to a VI ' I I I' It can be in t e g r a t e d w ith a w ireless system RF hreiịueru y(Mhz) 0 C hanel C h0 r •„ - GPS OK '2 / / :1 :3 Alarm: NO PA L tìv e l(d B ) M 0f]iil T h e p ro p o s e d t r a n s c e iv e r (cl) in s id e v ie w , (b ) o u ts id e v ie w F ig S e ttin g p a r a m e te r s -I it YVthe u LSPI Spectrum A nalyzer kH z - G H z is used to proposed transceiver as in fill and the nvm enl results arc show n in tie 7-9 I1H T ransm it/receive m ode, frequency, pow er lev el can be set Ii.sttrernent results o f the proposed transceiver usina the touch scrccn o f the control board The A D F 70 2I transceiver's touch screen is show n in fig (a ) F ig S T n s m itte d p o w e r s p c c tr u m As seen on fig 8, tile transmitted pow er level and frequency equal to those on c e set on the touch screen o f the conlrul board The transmitted pow er is approxim ately dBm at 35 Ml \ 527 2016 In te rn a tio n a l Conference on Advanced Technologies for C om m unica tions (ATC) 'ti'i' r«7aj W.7W, SOS Fie 12 D is p la y in g th e p o s itio n in X Y a x is c o o r d in a te s F ie M e a s u re m e n t o f h a rm o n ic s B eside the dieital map our softw are is capablc o f tracking by usirm X Y axis coordinates, d isplaying the position o f the v e sse ls and calculating the distance from the vessels to the C ontinent as dem onstrated in fig 12 Ì1C suppression o f harm onics is an im portant param eter N>'I illy, a Hood RF com pon en t requires at least 30 dB for the suj'm ossion o f harm onics In the proposed transceiver, we ink K ite d a LC bandpass filter to get about 50 (]B for the Ml s s iu n o f harm onics in w h o le o p e tin g b an d T he nu m om ent result o f harm onics is dem onstrated in tig B c Using the proposed transceiver in wireless systems inv the p roposed transceiver on vessels m Pig 10 O n v e s s e ls •H’ proposed transceiver can directly n ed to a H i: ilia ;is illustrated in fig 10 The inform ation is packed ini lata fram es including ID longitude, latitude, state o f I , , ) T hey are till-:, ilis p la y c d o n the com pu ter's scrccn by using our softw are T il: w ill lielp the v e sse l o w n e rs m o n ito r th e in fo rm a tio n Dnii tin lan I.itc o f vessel as well as increase the safety on the sea v' tested the proposed transceiver in a small area with a I>r km T he results are show ed in fig 11 — 12 Fil! 14 A w ire le s s s y s te m Iisinu p r o p o s e d tra n s c e iv e r T he w ireless data transceiver system is em ulated anti tested at short distance as dem onstrated in fig 13-14 In addition to t h e inform ation o f the coordinate o f the v e sse ls, this system is also capable ot m onitoring the state o t the v e sse ls whether they are safe or nol (S O S ) as show n in fig 15-16 F ie 11 D is p la y in c th e lo c a tio n in G o o g le m ap Mil softw are is applied with the o fflin e G o o g le map w hich tile direction o f m ovem ent as depicted in rhe red line is the route o f one dev ice help users determ ine !i