Trong mạch chỉnh lưu AC-DC sẽ thường sử dụng diode Schottky để làm diode chỉnh lưu do nó có thể đáp ứng đầy đủ những tiêu chí như có tần số cắt nhanh hơn đồng thời điện áp rơi khi phân cực đủ nhỏ để đảm bảo tối ưu hóa hiệu suất chuyển mạch. Diode Schottky là loại diode không có tiếp giáp p-n mà là tiếp giáp kim loại-bán dẫn. Bề mặt tiếp xúc giữa kim loại và bán dẫn được gọi là tiếp xúc Schottky và ở đây sẽ xuất hiện rào cản thế năng gọi là hàng rịa Schottky, tác đợng như tiếp giáp p-n. Các vật liệu chọn lọc được pha tạp để trên bề mặt chất bán dẫn xuất hiện vùng làm nghèo trong khi phần kim loại thể hiện là tiếp xúc ohmic.
Do các đặc điểm trên nên diode Schottky là một loại diode bán dẫn với một điện áp rơi phân cực thuận thấp và ngắt rất nhanh. Điện áp rơi thuận của diode Schottky từ khoảng 0.15 − 0.45 𝑉. Với điện áp rơi thấp như thế nên tốc độ chuyển mạch sẽ tăng lên
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 47
và tổn hao rơi trên diode sẽ giảm xuống. Một mô hình tương đương của diode Schottky được thể hiện dưới đây:
Hình 3.12. Mạch tương đương của diode Schottky
Mơ hình mạch tương đương của diode Schottky bao gồm một điện trở nối tiếp Rs, điện trở tiếp giáp biến thiên Rj, tụ điện tiếp giáp biến thiên Cj, thành phần ký sinh từ việc đóng vỏ diode Cp và Lp. Tụ điện tiếp giáp Cj ảnh hưởng đến thời gian chuyển mạch của diode, với giá trị Cj càng nhỏ thì tớc đợ chuyển mạch càng nhanh. Do đó đặc tính diode phụ tḥc chủ ́u vào hai ́u tớ là Rj và Cj. Dịng chảy qua diode được tính như sau:
𝐼𝑑 = 𝐼𝑠(𝑒𝑁.𝑘.𝑇𝑞.𝑣𝑑 − 1) (3.10)
Dòng 𝐼𝑑 qua điện trở tiếp giáp Rj và điện áp 𝑉𝑑 hai đầu của nó. 𝐼𝑑 tỉ lệ với dịng bão hịa 𝐼𝑠. Thơng số này ảnh hưởng tơi độ rộng của hàng rào Schottky. Mợt hàng rào Schottky hẹp có điện áp phân cực thuận nhỏ và dòng rò ngược lớn. Ngược lại nếu một hàng rào Schottky rộng sẽ có điện áp phân cực thuận lớn, dòng rò ngược nhỏ.
Hai thông số đặc trưng quan trọng của diode là điện áp ngưỡng và điện áp đánh thủng. Các thông số này sẽ giới hạn hiệu suất chuyển đổi ở múc năng lượng đầu vào thấp thông qua điện áp ngưỡng 𝑉𝑇. Trừ khi năng lượng tới đủ thì mới có thể vượt qua được hàng rào điện áp của đioe nếu khơng thì mạch gần như khơng thể chuyển đởi được. Điện áp đánh thủng của diode 𝑉𝑏𝑟 cũng làm giới hạn của hiệu suất với mức năng lượng đầu vòa lớn hơn. Đường cong “𝑉𝑏𝑟 effect” mô tả sự ảnh hưởng của điện áp ngưỡng đến hiệu suất mạch chuyển đổi.
Điện trở trong thiết bị cũng là một trong những nguyên nhân làm giảm hiệu suất chuyển đổi một cách đáng kể. Điện trở lớp tiếp giáp Rs của diode có thể giới hạn hiệu suất khi dịng chảy qua diode sẽ bị tiêu tán trong mặt tiếp giáp bán dẫn. Ở tần số cao,
Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna ở băng tần 2.4 GHz
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 48
điện dung lớp tiếp giáp Cj và điện cảm của thông số đóng vỏ cũng dẫn đến sự sụt giảm đáng kể vì vấn đề đóng cắt.
Từ những phân tích trên ta có thể thấy nếu cơng suất vào thấp thì Cj, Vj và Rs càng nhỏ càng tốt. Bv chỉ ảnh hưởng khi công suất đầu vào khá lớn. Do đó với đặc điểm công suất đầu vào thấp của mạch rectenna cần thiết kế thì việc lựa chọn diode cần phải cân bằng giữa 3 thơng sớ Cj, Vj và Rs.
Hiện nay, dịng diode được sử dụng phổ biến để thiết kế mạch chỉnh lưu là dòng diode HSMS-28XX. Dưới đây là bảng so sánh tham số của mợt sớ loại diode dịng HSMS-28XX. Bảng 3.2. Một số loại diode dòng HSMS-28XX Tham số HSMS-2850 HSMS-2860 HSMS-2820 𝑹𝒔 (𝛀) 25 5 6 𝑽𝒋 (𝑽) 0.35 0.65 0.65 𝑩𝒗 (𝑽) 3.8 7 15 𝑪𝒋 (𝒑𝑭) 0.18 0.18 0.7
Từ các đặc điểm nêu ở trên, em chọn sử dụng diode HSMS-2850 cho thiết kế vì đây là dịng diode có đợ nhạy cao 35 𝑚𝑉/𝜇𝑊 tại tần số 2.45 GHz, điện áp rơi trên diode 𝑉𝑑𝑚𝑎𝑥 = 150 − 250 𝑚𝑉. Ngoài ra dòng diode này cũng được hỗ trợ trong phần mềm Keysight Advanced Design System (ADS) – là một hệ thớng phần mềm tự đợng hóa thiết kế điện tử, hỗ trợ mô phỏng và thiết kế mạch. Đây cũng là phần mềm em sử dụng để mô phỏng kết quả mạch chỉnh lưu.
Bảng 3.3. Tham số chi tiết của diode HSMS-2850 từ nhà sản xuất [26] Parameter Units HSMS-285x BV 𝑉 3.8 Cj0 𝑝𝐹 0.18 EG 𝑒𝑉 0.69 IBV 𝐴 3E-4 IS 𝐴 3E-6 N 1.06 RS Ω 25 PB(Vj) 𝑉 0.35 PT(XTI) 2 M 0.5
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 49
Hình 3.13. Schottky diode HSMS-2850 trên thị trường
3.2.2. Thiết kế mạng phới hợp trở kháng
Để có sự phối hợp trở kháng tốt giữa anten thu và mạch chỉnh lưu ta cần có mạch phới hợp trở kháng. Với trở kháng đầu ra của anten thiết kế là 50 Ω, để có thể thiết kế mạch phới hợp trở kháng đầu tiên ta cần xác định trở kháng đầu vào của mạch chỉnh lưu tại tần số 2.45 GHz. Để xác định trở kháng đầu vào của mạch chỉnh lưu ta có thể dựa trên phương pháp mô phỏng trong phần mềm ADS. Dưới đây là trở kháng đầu vào của mạch diode chỉnh lưu và sơ đờ mơ phỏng. Có thể thấy trở kháng đầu vào của mạch chỉnh lưu đơn trước khi thêm mạch phối hợp trở kháng là 𝑍 = 13 − 𝑗185.65
Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna ở băng tần 2.4 GHz
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 50
Hình 3.15. Kết quả S11 và trở kháng đầu vào của mạch chỉnh lưu diode.
Sau khi xác định được trở kháng đầu vào của mạch chỉnh lưu diode, chúng ta có thể sử dụng phương pháp đờ thị Smith chart để tính tốn mạng phới hợp trở kháng. Để dễ dàng thiết kế mạch phối hợp trở kháng em sử dụng công cụ Smith V4.1 để thiết kế.
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 51
b)
Hình 3.16. a) Đồ thị Smith chart sử dụng và b) Mạng phối hợp trở kháng được thiết kế
Và dưới đây là kết quả mô phỏng của mạch chỉnh lưu đơn sau khi được ghép mạng phới hợp trở kháng
Hình 3.17. Kết quả S11 và trở kháng đầu vào sau khi có mạng phối hợp trở kháng
Có thể thấy mạch chỉnh lưu đã cộng hưởng tại tần số 2.45 GHz và trở kháng đầu vào lúc này là 𝑍 ≈ 50 Ω.
Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna ở băng tần 2.4 GHz
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 52
Điện áp đầu ra của mạch chỉnh lưu phụ thuộc rất lớn vào số tầng sử dụng trong mạch được thiết kế. Khi chúng ta sử dụng càng nhiều tầng trong mạch thì giá điện áp đầu ra sẽ càng lớn so hơn so với điện áp đầu vào.
Hình 3.18. Điện áp đầu ra của mạch chỉnh lưu khi sử dụng số tầng khác nhau.
Qua hình 3.18 ta có thể thấy rõ hơn việc tăng sớ tầng trong mạch chỉnh lưu dẫn tới tăng điện áp đầu DC đầu ra. Tuy nhiên khi tăng càng nhiều tầng thì sớ lượng diode sử dụng trong mạch sẽ càng nhiều. Điều đó dẫn tới sự phức tạp khi thiết kế, chế tạo mạch đồng thời nó cũng sẽ làm tăng kích thước của mạch lên. Với yêu cầu mạch nhỏ gọn, dễ dàng chế tạo thì mạch chỉnh lưu 3 tầng được em lựa chọn sử dụng để thiết kế.
3.2.4. Tối ưu giá trị hiệu suất của mạch theo giá trị tải
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 53
Hiệu suất chuyển đổi của mạch cũng bị ảnh hưởng bởi giá trị tải sử dụng. Hình 3.19 là sự thay đởi giá trị hiệu suất theo giá trị tải. Từ hình trên, ta có thể thấy với 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 = 5000 Ω sẽ cho mạch đạt hiệu suất chuyển đổi cao nhất.
3.2.5. Kết quả mơ phỏng
Hình 3.20. Sơ đồ mạch chỉnh lưu 3 tầng sử dụng diode HSMS-2850
Từ các phân tích ở trên, mạch chỉnh lưu trong đề tài được em lựa chọn thiết kế là mạch chỉnh lưu nhân áp 3 tầng sử dụng diode HSMS-2850. Với đặc tính điện áp ngược có thể chịu đựng lớn hơn 15 V cho phép ta thiết kế thử nghiệm với công suất đầu vào lớn. Bên cạnh đó đây cũng là dòng diode có điện áp rơi khá nhỏ và tụ ký sinh thấp phù hợp cho việc chế tạo mạch nhỏ gọn.
Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna ở băng tần 2.4 GHz
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 54
Hình 3.22. Trở kháng đầu vào của mạch thiết kế
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 55
Hình 3.24. Giá trị hiệu suất của mạch
Có thể thấy mạch chỉnh lưu được thiết kế hoạt động tại dải tần sớ 2.45 GHz và có trở kháng đầu vào xấp xỉ 50 Ω từ đó dễ dàng tích hợp với anten thu được thiết kế. Ngoài ra mạch cũng đạt hiệu suất chuyển đổi cao với giá trị là 70.438%.
Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Đề xuất mạch rectenna ở băng tần 2.4 GHz
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 56
Như vậy mạch chỉnh lưu được thiết kế có thể cho điện áp đầu ra đáp ứng các thiết bị cảm biến công suất thấp.
3.3. Kết luận chương 3
Chương này đã trình bày tổng quan lý thuyết anten và mạch chỉnh lưu cùng các phần tử trong nó. Ngoài ra cũng đã đề xuất mợt anten thu có mặt bức xạ là hình elip bán nguyệt hoạt động tại dải tần số 2.45 GHz với hiệu suất bức xạ là 86.5 % cùng một mạch chỉnh lưu nhân áp 3 tầng có điện áp đầu ra lớn nhất 𝑉𝐷𝐶 𝑚𝑎𝑥 = 5.392 𝑉, hiệu suất chuyển đổi của mạch là 70.438%.
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 57
KẾT LUẬN ĐỒ ÁN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Kết luận
Sau quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, đờ án đã tìm hiểu và phân tích các ng̀n năng lượng sóng điện từ có trong môi trường sống thông qua nghiên cứu khảo sát. Từ đó cho thấy tiềm năng phát triển của hệ thống thu năng lượng vô tuyến hiện nay. Ngoài ra, đồ án cũng đã tìm hiểu về cơ sở lý thuyết và cấu trúc các thành phần có trong mợt mạch rectenn thu năng lượng RF.
Các thành phần của một rectenna thu năng lượng tại tần số 2.45 GHz đã được thiết kế và mơ phỏng. Mơ hình hóa các phần tử được tính tốn chi tiết sau đó được mơ phỏng trên hai phần mềm là CST MICROWAVE STUDIO với anten thu và Advance Design System (ÀDS) cho khối mạch chỉnh lưu. Kết quả mô phỏng thu được là một anten thu với mặt bức xạ là một elip bán nguyệt hoạt động tại dải tần 2.45 GHz, có hiệu suất bức xạ là 86.5% cùng độ lợi 2.008 dB. Về khối mạch chỉnh lưu, mạch thiết kế là mạch chỉnh lưu nhân áp 3 tầng hoạt động ở dải tần 2.45 GHz với hiệu suất chuyển đổi lớn nhất là 70.438% tại công suất đầu vào 8 dBm, điện áp DC đầu ra lớn nhất là 5.392V.Từ các kết quả trên cho thấy mạch rectenna được thiết kế có tiềm năng để tích hợp vào các thiết bị cảm biến không dây năng lượng thấp.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
Do thời gian nghiên cứu có hạn và sự ảnh hưởng của đại dịch Covid nên đề tài chưa hoàn thành việc chế tạo và đo mạch Rectenna trong thực tế. Nên trong thời gian tới em sẽ tiến hành đo kiểm mạch rectenna và hướng tới tích hợp mạch vào thiết bị cảm biến để có thể cung cấp ng̀n hoạt đợng liên tục. Ngoài ra, em cũng sẽ thiết kế tối ưu rectenna ở các mức công suất đầu vào nhỏ hơn nhằm phục hồi năng lượng sóng điện từ ở những vùng có mật đợ cơng suất thấp.
Ći cùng cho phép em được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến cô TS.
Dương Thị Thanh Tú, người đã hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều để em có thể hồn
Đồ án tốt nghiệp
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Đào Khắc An, Trần Mạnh Tuấn, "Vấn đề an ninh năng lượng và các giải pháp khai thác năng lượng mặt trời từ vũ trụ truyền về trái đất", NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2011.
[2]. William C. Brown. “The history of power transmission by radio waves”. IEEE
Trans. MTT, 32(9):1230-1242, 1984.
[3]. Hossein Saghlatoon, Toni Björninen, Lauri Sydänheimo, Manos M. Tentzeris,
Leena Ukkonen, “Inkjet-Printed Wideband Planar Monopole Antenna on Cardboard for RF Energy-Harvesting Applications”, IEEE Antennas and Wireless Propagation
Letters, Vol. 14, pp. 325-328, 2015.
[4]. Manuel Piñuela, Paul D. Mitcheson, Stepan Lucyszyn, “Ambient RF Energy
Harvesting in Urban and Semi-Urban Environments”, IEEE Transactions on
Microwave Theory and Techniques, Vol. 61, No. 7, pp. 2715-2726, July 2013.
[5]. Zahra Khonsari, Toni Björninen, Lauri Sydänheimo, Manos Tentzeris, Leena
Ukkonen, “Inkjet-printed monopole antenna and voltage doubler on cardboard for
RF energy harvesting”, IEEE International Symposium on Antennas and
Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, pp. 1312-1313, July
2015.
[6]. M. H. Islam et al., “Spectrum Survey in Singapore: Occupancy Measurements
and Analyses”, pp. 1–7, 2008.
[7]. Ognadon Assogba, Abdoul Karim Mbodji, Salick Diagne, Abdou Karim Diallo,
“Design of a Rectenna in 2.45 GHz Band Frequency for Energy Harvesting”, Energy
and Power Engineering Journal (EPE), Vol.13 No.9, pp 333-342, September 2021.
[8]. Mohamed Mokhlès Mnif, Hassene Mnif , Mourad Loulou, “An Efficient Dual
Band 900MHz / 2.45GHz RF Energy Harvester”, IEEE 19th Mediterranean
Microwave Symposium (MMS), 2019.
[9]. Vamsi Talla, Bryce Kellogg, Benjamin Ransford, Saman Naderiparizi,
Shyamnath Gollakota and Joshua R. Smith, “Powering the Next Billion Devices with Wi-Fi”, the 11th ACM Conference, December 2015.
[10]. Vamsi Talla, Stefano Pellerano, Hongtao Xu, Ashoke Ravi and Yorgos Palaskas,
“Wi-Fi RF Energy Harvesting for Battery-Free Wearable Radio Platforms”, IEEE
International Conference on RFID (RFID), pp. 47-54, Apr. 2015.
[11]. Ermeey Abd. Kadir, Aiguo Patrick Hu, Morteza Biglari-Abhari, Kean C Aw, “Indoor WiFi Energy Harvester with Multiple Antenna for Low-power Wireless Applications”, IEEE 23rd International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), pp. 526-530, June 2014.
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 59
[12]. Fatima Alneyadi, Maitha Alkaabi, Salama Alketbi, Shamsa Hajraf, and Rashad
Ramzan, “2.4GHz WLAN RF Energy Harvester for Passive Indoor Sensor Nodes”,
Semiconductor Electronics (ICSE), 2014 IEEE International Conference, pp. 471-
474, Aug. 2014.
[13]. Marwan Malaeb, Boutheina Tlili, “RF Energy Harvesting System for GSM900
and GSM1800 Bands”, 2021 6th International Conference on Renewable Energy:
Generation and Applications (ICREGA), pp 9-14, Feb 2021.
[14]. Dinh Khanh Ho, Van-Duc Ngo, Ines Kharrat, Tan Phu Vuong, Quoc Cuong
Nguyen, Minh Thuy Le, “A Novel Dual-Band Rectenna for Ambient RF Energy Harvesting at GSM 900 MHz and 1800 MHz”, Advances in Science, Technology and
Engineering Systems Journal Vol. 2, No. 3, pp 612-616, 2017.
[15]. Yunus Uzun, “Design and Implementation of RF Energy Harvesting System for
Low-Power Electronic Devicues”, Journal of Electronic Materials, pp. 1-6, Mar.
2016.
[16]. Antwi Nimo, Tobias Beckedahl, Thomas Ostertag and Leonhard Reindl,
“Analysis of Passive RF-DC Power Rectification and Harvesting Wireless RF Energy for Microwatt Sensors”, AIMS Energy, Vol. 3, No. 2, pp.184-200, Apr. 2015.
[17]. Jingwei Zhang, Yi Huang and Ping Cao, “A microwave wireless energy
harvesting system with a wideband antenna array”, Transactions of the Institute of
Measurement and Control, Sept. 2014.
[18]. Alanson Sample and Joshua R. Smith, “Experimental Results with two Wireless
Power Transfer Systems”, Proceedings of the 4th international conference on Radio
and wireless symposium, RWS’09, Piscataway, NJ, USA, pp. 16-18, Jan. 2009.
[19]. Chomora Mikeka, Hiroyuki Arai, Apostolos Georgiadis and Ana Collado, “DTV
band micropower RF energyharvesting circuit architecture and performance
analysis”, RFID-Technologies and Applications (RFID-TA), IEEE International
Conference, pp.561-567, Sept. 2011.
[20]. Aaron N. Parks, Alanson P. Sample, Yi Zhao, Joshua R. Smith, “A Wireless
Sensing Platform Utilizing Ambient RF Energy”, Biomedical Wireless
Technologies, Networks, and Sensing Systems (BioWireleSS), 2013 IEEE Topical Conference, pp.154-156, Jan. 2013.
[21]. L J Gabrillo, M G Gales and J A Hora, “Enhanced RF to DC converter with LC