Nghiên cứu giải pháp truyền năng lượng siêu cao tần công suất lớn, hiệu suất cao phục vụ cho khai thác năng lượng vũ trụ.

Nghiên cứu giải pháp truyền năng lượng siêu cao tần công suất lớn, hiệu suất cao phục vụ cho khai thác năng lượng vũ trụ.Nghiên cứu giải pháp truyền năng lượng siêu cao tần công suất lớn, hiệu suất cao phục vụ cho khai thác năng lượng vũ trụ.Nghiên cứu giải pháp truyền năng lượng siêu cao tần công suất lớn, hiệu suất cao phục vụ cho khai thác năng lượng vũ trụ.Nghiên cứu giải pháp truyền năng lượng siêu cao tần công suất lớn, hiệu suất cao phục vụ cho khai thác năng lượng vũ trụ.Nghiên cứu giải pháp truyền năng lượng siêu cao tần công suất lớn, hiệu suất cao phục vụ cho khai thác năng lượng vũ trụ.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐOÀN HỮU CHỨC

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN CÔNG SUẤT LỚN, HIỆU SUẤT CAO PHỤC VỤ CHO KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG VŨ TRỤ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 62520203

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT

ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

Hà Nội – 2016

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Công nghệ,

Đại học Quốc gia Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS BẠCH GIA DƯƠNG

Phản biện:

Phản biện:

Phản biện:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

1

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TẦN CÔNG SUẤT LỚN, HIỆU SUẤT CAO PHỤC VỤ

CHO KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG VŨ TRỤ

TÓM TẮT: Giới thiệu về hệ thống truyền năng lượng không

dây sử dụng sóng siêu cao tần: lịch sử phát triển của hệ thống, những yêu cầu đặc thù để ứng dụng thành công cho hệ thống vệ tinh khai thác năng lượng mặt trời trong cũ trụ truyền về trái đất Nghiên cứu

đề xuất giải pháp xây dựng các thành phần của phần phát năng lượng siêu cao tần dùng làm phần phát cho hệ thống năng lượng không dây bao gồm: mạch dao động, mạch khuếch đại đệm, mạch khuếch đại công suất và các giải pháp chia cộng công suất dùng mạch cầu Wilkinson Nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế chế tạo các Rectenna có hiệu suất cao phục vụ cho phần thu năng lượng siêu cao tần, đề xuất mô hình kết nối các Rectenna thành ma trận và thử nghiệm thành công hệ thống truyền năng lượng không dây thực tế trên mặt đất

A MỞ ĐẦU

Ngày nay, con người đang khai thác mạnh mẽ các nguồn tài nguyên hóa thạch sẵn có trên trái đất để phục vụ cho cuộc sống sinh hoạt của mình như năng lượng than đá, dầu mỏ, khí gas, v.v Tuy nhiên các nguồn tài nguyên này đang dần cạn kiệt và lâu dài không thể đảm bảo về vấn đề an ninh năng lượng Con người đang hướng tới khai thác và sử dụng ngày càng nhiều các nguồn năng lượng sạch

và tái tạo khác như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh học, năng lượng sóng biển, v.v Đặc biệt năng lượng mặt trời đang được khai thác ngày càng nhiều Mặc dù vậy việc khai thác này chủ yếu thực hiện trên bề mặt trái đất dẫn đến hiệu quả chưa cao, dễ gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt bị ảnh hưởng bởi hiện tượng ngày và đêm Chính vì vậy, ngay từ những năm 1970 người ta đã đề xuất việc xây dựng một hệ thống vệ tinh thu năng lượng mặt trời trong vũ trụ rồi truyền về trái đất Để thực hiện thành công hệ thống này cần có những giải pháp công nghệ về nhiều lĩnh vực như:

- Giải quyết những vấn đề về công nghệ chế tạo bộ phận thu, biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện một chiều thường là các khối panel pin mặt trời

- Giải quyết những vấn đề về công nghệ chế tạo các thành phần siêu cao tần nhằm biến đổi từ năng lượng điện một chiều thành năng lượng siêu cao tần dạng chùm tia công suất lớn

2

- Giải quyết những vấn đề về công nghệ chế tạo các thành phần thu năng lượng siêu cao tần trên mặt đất biến đổi thành năng lượng điện cung cấp cho tải tiêu thụ

Từ những lý do trên cho thấy việc nghiên cứu và đề xuất xây dựng

mô hình truyền năng lượng không dây sử dụng sóng siêu cao tần hiệu

suất cao là rất cần thiết, vì vậy tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu giải

pháp truyền năng lượng siêu cao tần công suất lớn, hiệu suất cao phục

vụ cho khai thác năng lượng vũ trụ” để thực hiện luận án của mình

Phạm vi nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu việc truyền

năng lượng không dây sử dụng sóng siêu cao tần hoạt động ở băng tần ISM với tần số trung tâm bằng 2,45 GHz với mục đích ứng dụng trong việc xây dựng hệ thống vệ tinh thu năng lượng mặt trời trong

vũ trụ truyền về trái đất

Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp phân tích, thiết kế, mô

hình hóa và mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng siêu cao tần ADS (Advanced Design System ) của hãng Agilent kết hợp với phương pháp thực nghiệm khoa học

Những đóng góp của luận án

- Nghiên cứu, lựa chọn, ứng dụng các công nghệ phù hợp thiết

kế, mô phỏng và chế tạo các mạch dao động có độ ổn định cao, mạch

tổ hợp công suất kiểu cầu Wilkinson 4 và 8 đường có suy hao nhỏ, mạch khuếch đại đệm và mô đun khuếch đại công suất dùng làm bộ phát siêu cao tần công suất lớn dùng linh kiện bán dẫn hoạt động trên băng tần S phục vụ cho mục đích chuyển đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng siêu cao tần công suất lớn phục vụ khai thác năng lượng vũ trụ cũng như cho ứng dụng truyền thông tin khi sử dụng sóng siêu cao tần ở băng tần ISM

- Nghiên cứu đề xuất giải pháp phối hợp trở kháng dải rộng, thay đổi nhiều thang trở kháng đặc trưng trong việc thiết kế chế tạo mạch khuếch đại công suất dùng cho hệ thống truyền năng lượng không dây cũng như có thể ứng dụng cho hệ thống truyền thông tin hoạt động trong băng tần S

- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các Rectenna bao gồm các mạch chỉnh lưu siêu cao tần và anten mạch dải thực hiện chuyển đổi năng lượng siêu cao tần thành năng lượng điện một chiều với hiệu suất cao Đề xuất giải pháp thiết kế chế tạo mạch chỉnh lưu siêu cao tần kiểu nhân áp mới có khả năng cho điện áp lớn và hiệu suất chuyển đổi năng lượng siêu cao tần thành năng lượng điện một chiều

DC cao đạt trên 70%

Chương 1 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 Chương 2 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại công suất phục vụ cho phần phát năng lượng sóng siêu cao tần

Chương 3 Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các Rectenna

1.2 Khái quát hệ thống truyền năng lượng không dây

Truyền năng lượng không dây WPT là việc truyền một năng lượng lớn dùng sóng điện từ truyền từ nơi này đến nơi khác mà không sử dụng dây dẫn Hình 1.2 đưa ra mô hình của hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng sóng siêu cao tần

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống truyền năng lượng siêu cao tần

4

1.3 Hệ thống vệ tinh thu năng lượng mặt trời SPS

Cấu trúc của SPS bao gồm ba thành phần chính: phần thu nhận năng lượng mặt trời và biến đổi thành năng lượng điện một chiều DC; biến đổi năng lượng điện một chiều DC thành sóng siêu cao tần

và hệ thống anten mảng đưa chùm tia sóng siêu cao tần công suất lớn

về trái đất Mô hình SPS đưa ra ở hình 1.3

1.4 Hiệu suất

Chúng ta chia hiệu suất MPT thành ba loại theo từng giai đoạn: hiệu suất biến đổi DC-RF bao gồm các tổn hao về định dạng chùm tia; hiệu suất thu nhận chùm tia đó là tỷ số của tất cả công suất các bức xạ trên công suất nhận được ở anten thu và hiệu suất biến đổi RF-DC

1.5 Kết luận và mục tiêu của luận án

Trong chương 1 đã trình bày tổng quan về lịch sử phát triển, khái quát hệ thống truyền năng lượng không dây và tổng hợp những vấn

đề cần quan tâm giải quyết khi ứng dụng hệ thống MPT cho hệ thống

vệ tinh thu năng lượng mặt trời SPS truyền về trái đất Tác giả có một

số kết luận như sau:

Hình 1.3 Mô hình hệ thống vệ tinh SPS

5

- Truyền năng lượng không dây sử dụng sóng siêu cao tần MPT

là hoàn toàn thực tiễn Trên thế giới đã có nhiều công trình công bố

về MPT với mục đích ứng dụng cho SPS trong tương lai

- Hệ thống MPT cũng như SPS gần như chưa được đề cập nghiên cứu ở trong nước, mới chỉ có một số nghiên cứu của nhóm nghiên cứu do GS Đào Khắc An tại Viện Khoa Học Vũ Trụ Việt Nam, việc tiếp tục nghiên cứu sâu về MPT, SPS để giải quyết một số vần đề mấu chốt của hệ thống là rất quan trọng có giá trị thực tiễn và khoa học

- Đối với hệ thống MPT cũng như SPS vấn đề hiệu suất là rất quan trọng Chúng ta cần quan tâm tới hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng mặt trời thành năng lượng điện, hiệu suất chuyển đổi từ năng lượng điện thành năng lượng siêu cao tần trong không gian, hiệu suất chuyển đổi năng lượng siêu cao tần thành năng lượng điện ở phía thu (Rectenna)

- Tần số nên lựa chọn để thực hiện truyền năng lượng ứng dụng cho MPT và SPS là tần số 2,45GHz hoặc 5,8 GHz bởi trong dải tần này có cửa sổ suy hao thấp và cũng thuận lợi trong quá trình thử nghiệm vì không chịu sự kiểm soát từ cơ quan quản lý tần số

Trên cở sở đó tác giả đề xuất xây dựng một hệ thống MPT thực

tế trên mặt đất với tần số truyền sóng là 2,45 GHz Mục tiêu là thiết

kế chế tạo các mạch tạo tín hiệu siêu cao tần; các mạch khuếch đại đệm; mạch khuếch đại công suất; các mạch chia/cộng công suất đồng pha, đồng biên độ sử dụng cho phía phát và thiết kế chế tạo các anten mạch dải và các mạch chỉnh lưu siêu cao tần có hiệu suất cao sử dụng cho phía thu

Chương 2 Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ khuếch đại công suất phục vụ cho phần phát năng lượng sóng siêu cao tần

Các tấm pin mặt trời trong không gian gắn trên các vệ tinh năng lượng mặt trời SPS làm nhiệm vụ thu nhận năng lượng mặt trời và

6

chuyển đổi thành năng lƣợng điện một chiều DC Nguồn điện một chiều DC này đƣợc sử dụng cho mạch dao động và các mạch khuếch đại công suất siêu cao tần Các mạch điện này có nhiệm vụ chuyển đổi năng lƣợng điện một chiều DC thành năng lƣợng sóng siêu cao tần Để có công suất siêu cao tần đủ lớn phát trong không gian tới phía thu năng lƣợng sóng siêu cao tần chúng ta cần thiết kế chế tạo các khối khuếch đại công suất lớn

2.1 Cấu trúc chung của mạch khuếch đại

Cấu trúc chung của mạch khuếch đại siêu cao tần sử dụng linh kiện tích cực đƣợc đƣa ra trên hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ khối mạch khuếch đại siêu cao tần dùng transistor có

7

2.2.2 Kết quả thực nghiệm

Bộ tạo dao động phát đúng tần số, ta thu đƣợc cả các hài bậc 2, 3

và 4 chứng tỏ mạch đã đạt yêu cầu đề ra Tại tần số thiết kế ta nhận đƣợc mức công suất lối ra là 8.16 dBm

2.3 Mạch khuếch đại công suất dùng AH201

2.3.1 Thiết kế và mô phỏng

Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất dùng AH201đƣợc đƣa ra ở hình 2.8

Hình 2.7 Kết quả đo thực nghiệm mạch dao động 2,45 GHz

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất AH201

khuếch đại dùng AH201

2.4 Mạch khuếch đại công suất dùng PTFA240451E

2.4.1 Thiết kế và mô phỏng

2.4.1.1 Đề xuất phương pháp thiết kế

Việc thiết kế mạch khuếch đại công suất dùng PTFA240451E bao gồm thiết kế các mạch phối hợp trở kháng lối vào và lối ra cho PTFA240451E Tác giả đã đề xuất giải pháp pháp phối hợp trở kháng dải rộng, thay đổi nhiều thang trở kháng đặc trƣng Sơ đồ khối mạch thiết kế đƣa ra ở hình 2.12

Hình 2.12 Sơ đồ khối mạch khuếch đại công suất siêu cao tần

45W dùng PTFA240451E

2.4.1.2 Mạch phối hợp trở kháng lối vào

Ở đây trở kháng đặc tính đƣợc chọn có giá trị là 25  Theo đó giá trị trở kháng tải thực để thiết kế mạch phối hợp trở kháng là ZL =

Ta có:

Ta đạt được sơ đồ mạch phối hợp trở kháng lối vào như hình 2.17

Hình 2.17 Mạch phối hợp trở kháng lối vào

2.4.1.3 Mạch phối hợp trở kháng lối ra

Việc di chuyển giá trị trở kháng tới giá trị thuần trở tương đương với việc chêm một đoạn dây mạch dải có kích thước được tính toán dựa trên giá trị chuẩn hóa Z0 = 25  và giá trị góc là 5,40 Chọn số đoạn dây chêm N = 2, tránh phải thực hiện quá nhiều các tính toán dễ gây sai sót trong thiết kế Áp dụng phương pháp phối hợp trở kháng dải rộng, thay đổi nhiều thang trở kháng đặc trưng Vì N=2 ta chỉ cần tính Z1 và Z2 với các giá trị đầu vào trở kháng tải thuần trở ZL = 6.54555  và trở kháng đặc tính Z0 =50 

2.4.2 Chế tạo và kết quả thực nghiệm

2.4.2.1 Chế tạo mạch khuếch đại

Sản phẩm thực tế đƣợc đƣa ra ở hình 2.24

Hình 2.24 và 2.25 Sản phẩm chế tạo và hệ số khuếch đại

2.4.2.2 Kết quả thực nghiệm

Hình 2.25 minh họa kết quả đo của tham số S21

Hình 2.25 Giá trị S21 đo đƣợc trên máy phân tích mạng Theo đó nhận thấy là hệ số khuếch đại đạt giá trị lớn hơn 11dB trong dải tần 2,4 GHz đến 2,7 GHz Giá trị lớn nhất đạt đƣợc là 13,63

dB tại tần số 2,55 GHz Các giá trị này là rất tốt nếu so sánh với các

Hình 2.29 Mô hình kiểm tra công suất phát

Kết quả đo đƣợc với lối vào là giá trị lớn nhất của máy tạo tín hiệu 14dBm đƣợc cung cấp trên hình 2.30 Theo đó giá trị đạt đƣợc là 39,7dBm tức là khoảng 9,33W Hệ số khuếch đại tổng cộng của module khuếch đại công suất (gồm AH201 và PTFA240451E) là 25,7dB

Hình 2.30 Kết quả đo trên máy phân tích phổ

Sơ đồ mạch in và sản phẩm trên hình 2.36

Hình 2.34 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu Wilkinson 4 đường Kết quả đo hệ số suy hao S21 và hệ số phản xạ S11 lần lượt được đưa ra ở hình 2 73 và 2.38 Theo đó S21 đạt giá trị -6,023 dB ở tần

số 2,45GHz

Hình 2.36 Sơ đồ mạch in và mạch thực tế

Theo hình 2.40 hệ số suy hao mô phỏng là 9,03dB tại tần số 2,45 GHz gần đạt tới giá trị tính toán lý thuyết Hệ số truyền nhỏ hơn -64dB ở tần số 2,45 GHz chứng tỏ mạch phối hợp trở kháng rất tốt

Sơ đồ mạch in thiết kế và mạch thực tế được đưa ra ở hình 2.41 Hình 2.39 Sơ đồ nguyên lý

mạch cầu WPD 8 đường

14

Hình 2.41 Sơ đồ mạch in và sản phẩm mạch WPD 8 đường Kết quả đo các hệ số suy hao S21 và hệ số truyền S11 lần lượt cho trên hình 2.42 và 2.43

Hình 2.42 Hệ số suy hao S21 Hình 2.43 Hệ số S11 Theo đó S21 đạt giá trị 9dB trong dải tần 2,4 GHz – 2,5 GHz Điều

đó có nghĩa là gần như không có suy hao khi thực hiện chia công công suất khi sử dụng mạch cầu Wilkinson này Hơn thế nữa S11 cũng đạt giá trị nhỏ hơn -12 dB nghĩa là việc phối hợp trở kháng là khá tốt

2.5.4 Tổ hợp công suất sử dụng các mạch cầu Wilkinson

Trên cơ sở thiết kế chế tạo các mạch chia/cộng công suất đồng pha, đồng biên độ 4 và 8 đường, tác giả đề xuất giải pháp tổ hợp công suất thành các với các mức công suất lối ra đạt 158W và 355W như hình 2.44 và 2.45

Hình 2.44, 2.45 Mô hình tổ hợp công suất WPD 4 và 8 đường

15

Nhận xét và kết luận chương 2

Tác giả đã đề xuất: Xây dựng các thành phần thực hiện nhiệm vụ

chuyển đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng siêu cao tần công suất lớn bao gồm các mạch tạo dao động, khuếch đại đệm và khuếch đại công suất sử dụng linh kiện bán dẫn và phương pháp tổ hợp công suất kiểu cầu Wilkinson theo công nghệ mạch dải Các kết

quả quan trọng đạt được như:

Thiết kế và chế tạo các mạch dao động siêu cao tần có tần số dao động 2,45GHz với mức công suất lối ra lớn đạt 8,16 dBm và ổn định Mạch khuếch đại đệm AH201 với hệ số khuếch đại lớn hơn 13 dB và hoạt động trong một dải thông lớn từ 1,6 GHz đến 2,7 GHz, do đó mạch

có khả năng ứng dụng cao trong thực tiễn như cho hệ thống thông tin di động, hệ thống WIFI, radar và vai trò mạch khuếch đại đệm cho tầng công suất trong hệ thống truyền năng lượng không dây MPT

Module khuếch đại công suất dùng PTFA240451E đã được thiết

kế chế tạo với phương pháp phối hợp trở kháng dải rộng, mỗi module

có mức công suất ra lớn nhất là 45 W, module này dùng làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình hệ thống trong đánh giá hiệu suất truyền năng lượng không dây ở khoảng cách gần Khi sử dụng các mạch cầu Wilkinson để cộng công suất từ các module cơ sở 45W thì chúng ta

sẽ đạt được những bộ phát có công suất lớn hơn

Chương 3 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC RECTENNA

3.1 Giới thiệu

Sơ đồ khối của Rectenna đưa ra trên hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ khối của một rectenna