Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo anten và bộ lọc 2 45GHz dùng cho hệ thống thu năng lượng ở khoảng cách gần

TÓM TẮT NỘI DUNG Năng lượng không dây ngày càng trở nên phổ biến trong thế giới hiện đại, trong khi nhu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, các tài nguyên nguồn năng lượng ngày càng g

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

CAO QUANG HOÀNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ANTEN VÀ

BỘ LỌC 2.45GHz DÙNG CHO HỆ THỐNG THU NĂNG LƯỢNG Ở KHOẢNG CÁCH GẦN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

CAO QUANG HOÀNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ANTEN VÀ

BỘ LỌC 2.45GHz DÙNG CHO HỆ THỐNG THU NĂNG LƯỢNG Ở KHOẢNG CÁCH GẦN

Ngành: Công Nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử

Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

Bản luận văn tốt nghiệp này công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bạch Gia Dương

Các số liệu, kết luận của luận văn là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu những mô hình, thành quả đã đạt được của các nước trên thế giới và trải nghiệm của bản thân, chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước khi bảo vệ tại “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ kỹ thuật”

Hà Nội, ngày 27 tháng 04 năm 2015 Người cam đoan

Cao Quang Hoàng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS.Bạch Gia Dương đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp cho em có những kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu trong thời gian được học tập và nghiên cứu tại trung tâm nghiên cứu điện tử viễn thông, Đại Học Công Nghệ

Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã rất nhiệt tình giảng dạy và cho em những lời khuyên hữu ích trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian thực hiện khóa luận có hạn, vốn kiến thức nắm được chưa nhiều nên luận văn còn nhiều hạn chế Em rất mong nhận được nhiều sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô để hoàn thiện hơn bài viết của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Học viên thực hiện

Cao Quang Hoàng

TÓM TẮT NỘI DUNG

Năng lượng không dây ngày càng trở nên phổ biến trong thế giới hiện đại, trong khi nhu cầu về năng lượng điện ngày càng tăng, các tài nguyên nguồn năng lượng ngày càng giảm đi thì việc sử dụng năng lượng không dây có thể trở thành một điều cần thiết

Công nghệ truyền năng lượng không dây sử dụng một thiết bị gọi là Rectenna Rectenna được kết hợp giữa từ rectifier (thiết bị thường được sử dụng để chuyển đổi điện xoay chiều AC sang điện một chiều DC trong đó tín hiệu AC được thu từ antenna

Nguyên lý của hệ thống là năng lượng mặt trời qua hệ thống Solar Power Satellite sau đó truyền về trái đất bằng sóng siêu cao tần Tại nơi nhận, một anten thu được đặt sau

đó năng lượng siêu cao tần này được chuyển đổi thành điện năng để sử dụng

Hệ thống Rectenna theo nguyên lý nói trên có thể được áp dụng cho các thiết bị tiết kiệm năng lượng trong hộ gia đình như sử dụng cho Tivi, Laptop, sạc không dây cho điện thoại, máy tính bảng hay các ứng dụng đặc thù như máy bay không người láy sử dụng năng lượng không dây phục vụ khảo sát địa hình, tìm kiếm, cứu nạn hay trinh sát điện tử trong lĩnh vực quốc phòng

Trong khuôn khổ luận văn này, cùng với việc nghiên cứu tổng quan về hệ thống truyền năng lượng không dây, luận văn tập trung nghiên cứu về công nghệ anten và mảng anten nhiều phần tử có định hướng và bộ lọc siêu cao tần hoạt động ở tần số 2.45 GHz sử dụng cho việc truyền năng lượng không dây ở khoảng cách gần

MỤC LỤC

Chương I 8

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY 8

1.1 Lịch sử phát triển của thông tin không dây và công suất không dây 8

1.2 Bài toán đặt ra trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây 10

CHƯƠNG II Error! Bookmark not defined

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ANTEN VI DẢI 2.45 GHZ

Error! Bookmark not defined 2.1 Mục đích, chức năng, nhiệm vụ của anten Error! Bookmark not defined 2.2 Cấu trúc chung của hệ anten: Error! Bookmark not defined 2.3 Các thông số đặc trưng của anten: Error! Bookmark not defined 2.3.1 Trường bức xạ Error! Bookmark not defined 2.3.2 Đặc tính định hướng của trường bức xạ Error! Bookmark not defined 2.3.3 Đặc tính phân cực của trường bức xạ Error! Bookmark not defined 2.3.4 Hệ số định hướng và hệ số tăng ích Error! Bookmark not defined 2.4 Phối hợp trở kháng cho anten Error! Bookmark not defined 2.4.1 Khái niệm chung Error! Bookmark not defined 2.4.2 Ý nghĩa của việc phối hợp trở kháng Error! Bookmark not defined 2.5 Anten mạch dải Error! Bookmark not defined 2.5.1 Khái niệm Error! Bookmark not defined 2.5.2 Cấu trúc và đặc tính cơ bản Error! Bookmark not defined 2.6 Mảng anten vi dải Error! Bookmark not defined 2.6.1 Mảng hai phần tử Error! Bookmark not defined 2.6.2 Mảng tuyến tính N phần tử Error! Bookmark not defined

2.6.3 Mảng hai chiều Error! Bookmark not defined 2.6.4 Hệ số mảng Error! Bookmark not defined 2.6.5 Độ rộng búp sóng Error! Bookmark not defined 2.6.6 Độ định hướng Error! Bookmark not defined 2.7 Thiết kế mảng anten vi dải một phần tử Error! Bookmark not defined 2.7.1 Yêu cầu thiết kế Error! Bookmark not defined

Thiết kế một anten vi dải hoạt động ở tần số 2.45 GHz với các tham số như sau:

Error! Bookmark not defined 2.7.2 Thiết kế và mô phỏng anten Error! Bookmark not defined 2.7.3 Kết quả mô phỏng và đo kiểm anten Error! Bookmark not defined 2.8 Thiết kế mảng anten vi dải 4 phần tử Error! Bookmark not defined 2.8.1 Yêu cầu thiết kế Error! Bookmark not defined 2.8.2 Kết quả đo kiểm hệ số phản xạ S11 của anten Error! Bookmark not

defined

CHƯƠNG III Error! Bookmark not defined THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH LỌC CAO TẦN 2.45 GHZ Error! Bookmark not

defined

3.1 Yêu cầu thiết kế, lý thuyết về đường truyền vi dải Error! Bookmark not defined 3.1.1 Yêu cầu thiết kế Error! Bookmark not defined 3.1.2 Đường truyền vi dải Error! Bookmark not defined 3.2 Thiết kế, chế tạo bộ lọc vi dải bằng phần mềm ADS Error! Bookmark not

defined

3.2.1.Thiết kế, mô phỏng mạch lọc cao tần bằng phần mềm ADS Error! Bookmark

not defined

3.2.2 Chế tạo và đo kiểm bộ lọc Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

Tài liệu tham khảo 11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Truyền năng lượng không dây từ vệ tinh đến Trái Đất

Hình 2.1 Cấu trúc chung của hệ thống anten

Hình 2.3 Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa độ cực

Hình 2.4 Giản đồ phương hướng chuẩn hóa trong hệ tọa vuông góc

Hình 2.5 Mạch phối hợp phối hợp trở kháng giữa trở kháng tải bất kỳ và đường truyền sóng

Hình 2.6 Anten mạch dải

Hình 2.7 Anten mạch dải nhìn từ mặt bên

Hình 2.8 Khe bức xạ Anten mạch dải

Hình 2.9 Các dạng anten mạch dải điển hình

Hình 2.10 Tiếp điện cho anten mạch dải

Hình 2.11 Bốn dạng hình học của anten mảng

Hình 2.12 Dạng hình học của mảng 2 phần tử đạt dọc theo trục z

Hình 2.13 Trường vùng xa và sơ đồ pha của mảng N phần tử isotropic

Hình 2.14 Dạng hình học của mảng tuyến tính và mảng hai chiều

Hình 2.16 Thiết kế anten vi dải 1 phần tử

Hình 2.17 Kết quả mô phỏng hệ số phản xạ S11

Hình 2.18 Đồ thị bức xạ trong mặt phẳng E và H

Hình 2.19 Đồ thị bức xạ 3D của anten

Hình 2.20 Kết quả đo hệ số phản xạ S11

Hình 2.21 Hệ thống mảng 2 chiều

Hình 2.22 Hệ thống mảng 2 chiều 2x2 đã thiết kế

Hình 2.23 Đồ thị 3D bức xạ của hệ số mảng

Hình 2.24 Anten mảng 4 phần tử được thiết kế

Hình 2.25 Anten mảng 4 phần tử được chế tạo

Hình 2.26 Hệ số phản xạ của anten mảng 4 phần tử

Hình 2.27 Bố trí sơ đồ đo độ lợi anten

Hình 2.28 Anten chuẩn 15-2400AP14

Hình 3.1 Đường truyền vi dải

Hình 3.2 Phân bố trường của đường truyền vi dải

Hình 3.3 Đường truyền vi dải đặt trong hệ toạ độ Đecac

Hình 3.4 Trở kháng đặc tính và hệ số điện môi hiệu ứng của đường truyền vi dải được tính theo phương pháp của Wheeler

Hình 3.5 Bộ lọc thông dải 2.45 GHz thiết kế bằng ADS

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng bộ lọc

Hình 3.7 Thiết kế layout của bộ lọc

Hình 3.8 Bộ lọc sau khi được chế tạo

Hình 3.9 Kết quả đo hệ số phản xạ

Hình 3.10 Kết quả đo đáp ứng của bộ lọc

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

GEO Geostationary orbit Quỹ đạo địa tĩnh

MEO Medium Earth orbit Quỹ đạo trái đất trung

bình

LEO Low Earth orbit Quỹ đạo trái đất thấp PDA Personal digital assistant Thiết bị số hỗ trợ cá nhân

WPT Wireless Power Transmission Truyền năng lượng

không dây

Chương I

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY

Về mặt lịch sử truyền năng lượng không dây được nghiên cứu triển khai rất sớm , cách đây khoảng 150 năm , bắt đầu từ các khái niệm và ý tưởng về truyền năng lượng mà không cần dùng đường dây tải điện cao thế do Nicolai Tesla khởi xướng Tuy nhiên từ đó cho đến nay kết quả lý thuyết và thực nhiệm về truyền tải công suất không dây đã không tiến bộ nhiều so với công nghệ truyền thông tin do thiếu mô hình lý thuyết và công nghệ mới phù hợp Năm 1900 với việc triển khai truyền năng lượng không dây qua các tháp cao ở New York , làm sáng một số bóng đèn huỳnh quang ở khoảng cách 26 hải lý ( cỡ

40 km ), N.Tesla đã thu được một số kết quả đáng khích lệ trong lĩnh vực truyền thông không dây Một số nhà nghiên cứu đó đã truyển khai nhiều nghiên cứu thí nghiệm về truyền năng lượng không dây trường gần dùng để nạp điện cho một số thiết bị như máy điện ,ô tô , xe điện , máy tính , điện thoại di động …Doanh thu cho nạp điện không dây lên tới 1 tỷ USD Tuy nhiên chỉ đến năm 2004 , sau các nghiên cứu lý thuyết tường minh hơn , và nhất là sau các thí nghiệm của nhóm nghiên cứu tại MIT, vấn đề này mới được nghiên cứu mạnh mẽ , nhiều công ty lớn như Samsung, Intel đã nhanh chóng đầu tư và đạt được rất nhiều kết quả ấn tượng

Trong khi đó việc nghiên cứu truyền công suất trường xa đã được quan tâm mạnh từ những năm 1973, sau patent của Glasser Peter dùng chùm tia vi ba hay laser công suất cao để truyền công suất từ quỹ đạo GEO, MEO hay LEO trên vũ trụ về mặt đất Từ đó đến nay đã có hàng chục dự án lớn ở Mỹ, Nhật, Châu Âu, Trung Quốc, Ấn Độ được triển khai với đầu tư hàng chục tỷ USD và đã thu được nhiều kết quả tốt

Thông tin liên lạc không dây là việc chuyển giao thông tin giữa hai hay nhiều điểm

không được nối với nhau bằng một dây dẫn điện Các công nghệ không dây phổ biến nhất

sử dụng viễn thông không dây điện, như đài phát thanh Bằng sóng âm thanh khoảng cách có thể là ngắn, chẳng hạn như một vài mét cho điều khiển từ xa truyền hình, hoặc như xa như hàng ngàn hoặc thậm chí hàng triệu cây số cho thông tin vô tuyến sâu không gian Nó bao gồm nhiều loại hình cố định, di động, và các ứng dụng di động, bao gồm cả radio hai chiều, điện thoại di động, trợ lý kỹ thuật số cá nhân (PDA), và kết nối mạng không dây Ví dụ khác về ứng dụng công nghệ không dây phát thanh bao gồm các đơn vị GPS, mở cửa nhà để xe, con chuột máy tính không dây, bàn phím và tai nghe, tai nghe, radio, truyền hình vệ tinh, truyền hình phát sóng và điện thoại không dây Phương pháp ít phổ biến hơn để đạt được truyền thông không dây bao gồm việc sử dụng ánh sáng, âm thanh, điện từ hoặc điện trường

Theo suốt lịch sử phát triển, nhiều nhà phát minh đã thử áp dụng nhiều phương pháp truyền tín hiệu không dây, bao gồm cả phương pháp cảm ứng điện từ và truyền tín hiệu qua mặt đất Khởi đầu với điện từ học, trong quá trình nghiên cứu về lĩnh vực truyền tín hiệu không dây, hàng loạt các thí nghiệm đã được tiến hành kể từ đầu thế kỷ 19 nhằm nghiên cứu sự liên quan giữa điện và từ tính dựa vào những dự đoán trước đó Tiêu biểu

là vào năm 1800, Alessandro Volta đã phát triển những phương pháp để tạo ra dòng điện Tiếp theo là Gian Domenico Romagnosi với nghiên cứu về sự liên quan giữa dòng điện

và từ tính nhưng nghiên cứu của ông chưa được công nhận

Mãi đến năm 1829, Hans Christian Orsted đã đưa ra một thí nghiệm để chứng minh thuộc tính từ của dòng điện, đó là dòng điện chạy trong một cuộn dây làm chệch hướng

của kim la bàn đặt gần Chính thí nghiệm của Orsted đã khơi mào cho André-Marie Ampère phát triển lý thuyết về điện từ và kế đó là Francesco Zantedeschi với nghiên cứu

về sự liên quan giữa ánh sáng, điện và từ trường

Năm 1831, Michael Faraday đã thực hiện một loạt các thí nghiệm để chứng minh sự tồn tại của hiện tượng cảm ứng điện từ Mối quan hệ này đã được ông xây dựng thành một mô hình toán học của định luật Faraday Theo đó, lực điện từ có thể lan toả ra vùng không gian xung quanh các dây dẫn

Dựa trên các nghiên cứu trước đó, Joseph Henry đã thực hiện một thí nghiệm chứng minh được lực từ có thể tác động từ độ cao 61 m vào năm 1832 Ông cũng chính là người đầu tiên tạo ra dòng điện xoay chiều dao động với tần số cao Trong thí nghiệm, ông nhận

ra rằng dòng điện xoay chiều sẽ tạo ra một lực dao động với tầng số giảm dần cho đến khi nó trở về trạng thái cân bằng

Đến thuyết sóng điện từ, Từ năm 1861 đến năm 1865, dựa trên những nghiên cứu của Faraday và các nhà khoa học khác, James Clerk Maxwell đã phát triển một học thuyết mang tên thuyết sóng điện từ được đăng tải trên tạp chí khoa học hoàng gia với tựa đề

"thuyết động lực của điện trường" Ông chính là người thống nhất các khái niệm quan trọng của vật lý hiện đại là điện, từ trường và ánh sáng bằng 4 phương trình Maxwell nổi tiếng Sự ra đời của truyền sóng điện từ chính là nền tảng cho việc truyền thông tin không dây sau này đó chính là sóng radio

Cuộc trò chuyện điện thoại không dây đầu tiên trên thế giới xảy ra trong năm 1880, khi Alexander Graham Bell và Charles Sumner Tainter phát minh và bằng sáng chế photophone, một điện thoại thực hiện cuộc hội thoại âm thanh không dây qua chùm ánh sáng được điều chế Trong kỷ nguyên xa xôi, khi các tiện ích vẫn chưa tồn tại để cung cấp điện và laser thậm chí còn chưa tưởng tượng trong khoa học viễn tưởng, không có ứng dụng thực tế cho sáng chế của họ, được đánh giá cao giới hạn bởi sự sẵn có của cả ánh sáng mặt trời và thời tiết tốt Tương tự như truyền thông quang học không gian tự do, các photophone cũng yêu cầu một dòng lý tưởng giữa máy phát và máy thu của nó Nó sẽ

là vài thập kỷ trước khi nguyên tắc của photophone tìm thấy ứng dụng thực tế đầu tiên của họ trong thông tin liên lạc quân sự và sau đó trong truyền thông cáp quang

Năng lượng là một thực thể khách quan tồn tại trong vũ trụ Nó là khởi nguồn của vũ trụ, là động lực căn bản tạo ra sự sống và sự phát triển trong thế giới tự nhiên, trong đó có con người Với sự bùng nổ dân số mạnh mẽ như hiện nay, nhu cầu tiêu thụ năng lượng cho các hoạt động của con người ngày càng tăng Trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt dần, nguồn năng lượng hạt nhân tính an toàn không cao, còn các

Tài liệu tham khảo

Tài liệu tiếng Việt:

[1] GS.TSKH Phan Anh Trường điện từ và truyền sóng, NXB Đại Học Quốc

Gia Hà Nội, Hà Nội

[2] Phạm Minh Việt Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội

[3] GS.TSKH Phan Anh Lý thuyết và kỹ thuậ anten – NXB Khoa học kỹ

thuật, Hà Nội

Tài liệu tiếng Anh:

[1] David M Pozar, Microwave Engineering, John Wiley & Sons, Inc

Inc

[3] Zhijun Zhang, Antenna Design for Mobile Design, John Wiley & Sons, Inc