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 và thử nghiệm mô đun truyền Dăng lượng
không dây trên dải sóng siêu cao tần ờ khoảng cách gần, dùng cho hệ thống khai thác
năng 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 và thử nghiệm mô đun truyền năng lượng
không dây trên dải sóng siêu cao tần ờ khoảng cách gần, dừng cho hệ thống khai thác
năng 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 ................................................................................................................................. 0
Phần I T h ô n g tin c h u n g ................................................................................................................... 1
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 .................................................................................... 1
Phần III Sản phẩm , công bố và kết quả của đề tà i...................................................................29
Phần IV T ổng h ọ p kết quả K H & C N và đào tạo của 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 các chuyên đề nah iên c ứ u ....................................................................................34
Chuyên đê 1. T ô n g quan công nghệ và mô hình truyền năng lượng
k h ô n g dây trên dải sóng siêu cao tầ n ................................................................. 35
Chuyên đề 2. R e c te n n a .................................................................................................................... 52
Chuyên đề 3. A n ten m ạch d ả i ........................................................................................................59
C h u y ên đề 4. K e t q u ả m ô p h ỏ n g v à k ế t q u r đo tu y ế n th u p h á t s iê u c a o tầ n 2.4 5
G H z ....................................................................................................................................................... 83
Chuyên đề 5. Đ ánh giá hiệu suất truyền năng lượng không dây ở khoảng cách gần 93
Ket quả công b ố .................................................................................................................................103
Kết quả đào tạ o .................................................................................................................................. 131
T ừ v iế t tắ t
- Vệ tinh năng lượng mặt trời (Solar Power Satellite - SPS).
- Truvền dẫn năng lượng không dây WPT (Wừeless Power Transmission)
- Truyền năng lượng sử dụng sóng siêu cao tần MPT (Microwave Power
Transmission).
- Hệ thống thu chùm tia vi ba trên mặt đất là ma trận antenna thu tín hiệu vi ba
và bộ chỉnh lưu kết hợp với nhau, gọi là 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 và thừ nghiệm mô đun truyền năng lượng không
dây trên dải sóng siêu cao tần ở 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 hiện đề tài
TT
Chức danh, học vị, họ và tên
Đơn vị cống tác
1
GS.TS Bạch Gia Dương
Trung tâm N/C ĐTVT
Trường ĐHCN- ĐHQGHN
2
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
3
ThS- NCS Trần Văn Hội
4
ThS- NCS Đoàn Hữu Chức
5 ThS- NCS Bạch Hoàng Giang
6 ThS- NCS Nguyễn Đình Thế
Anh
Vai trò thực hiện 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 Công 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): không
1.5.3. Thực hiện thực tế: Toàn bộ nội dung đã thực hiện 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): Không
(về mục tiêu, nội dung, phương pháp, két quả nghiên cửu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý
kiến của Cơ quan quản lý)
1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài:.400 triệu đồng.
PHÀN n . TỎNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN cứu
Viết theo cấu trúc một bài báo khoa học tổng quan từ 6-15 trang (báo cáo này sỗ được đăng trên
tạp chí khoa học ĐHQGHN sau khi đề tài được nghiệm thu), nội dung gồm các phần:
1. Đặt vấn đề
Truyền dẫn năng lượng không dây (Wừeless Energy Transfer) hay còn gọi là truyền công
suất không dây WPT (Wireless Power Transmission là một trong những giải pháp đầy triển
vọng trong những trường hợp chúng ta cần truyền năng lượng tới những nơi có địa hình
hiểm trở, hải đảo hoặc truyền năng lượng từ vũ trụ về trái đất,...v.v. Nếu sóng điện từ sử
dụng có tần số nằm trong dải sóng viba thì chúng ta gọi đó là truyền năng lượng sử dụng
1
sóng viba MPT (Microwave Power Transmission). Một trong những ứng dụng muốn hướng
tới của MPT là sử dụng cho hệ thống truyền năng lượng mặt trời từ vệ tinh thu năng lượng
mặt trời SPS (Solar Power Satellite) trong vũ trụ truyền về trái đất. vấn đề về khai thác
năng lượng sạch trong đó có năng lượng mặt trời sử dụng vệ tinh SPS đang được nhiều quốc
gia quan tâm nghiên cứu.
Nghiên cứu truyền năng lượng không dây sử dụng sóng siêu cao tần ở khoảng cách gần
với mục tiêu cung cấp nguồn nuôi tò xa hoặc nạp điện cho các thiết bị điện tử đang hoạt
động ở những điều kiện không thể cấp nguồn nuôi trực tiếp từ nguồn điện lưới, ví dụ như
robot hoạt động trong khu vực mà con người không thể trực tiếp tiếp xúc hoặc cần thiết nạp
điện cho các thiết bị bay không người lái, cũng như có thể chế tạo thiết bị nạp điện không
dây trong một khu vực xác định cho nhiều thiết bị điện tử xách tay V ..V .. Ngoài ra việc
nghiên cứu làm chủ công nghệ phát chùm tia siêu cao tần công suất lớn có ý nghĩa rất quan
trọng trong ứng dụng tác chiến điện tử, có khả năng chế áp và gây nhiễu cho thiết bị điện tử
của đối phương.
Đề tài QG. 15.27 với nội dung triển khai nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm mô
đun truyền năng lượng không dây ứên dải són^ siêu cao tần 2.45 GHz, đánh giá hiệu suất
truyền năng lượng không dây ở khoảng cách gần. Hiệu suất truyền năng lượng không dây
phụ thuộc vào nhiều yếu tố, rất khác nhau. Đe đánh giá hiệu suất truyền năng lượng không
dây, cần thiết phải xây dựng đồng bộ một hệ thống phát và hệ thống thu. Hệ thống phát bao
gồm bộ tạo dao động 2.45 GHz, khuếch đại công suất, phối hợp trở kháng để truyền tới
anten phát. Hệ thống thu công suất siêu cao tần còn gọi là Rectenna bao gồm anten thu, bộ
phối hợp trờ kháng, bộ lọc tần số 2.45 GHz, bộ chỉnh lưu siêu cao tần, bộ lọc thông thấp lấy
ra điện áp một chiều DC đưa ra tải thuần trở.
Kết quả nghiên cứu thiết kể chế tạo đồng bộ hệ thống thu phát và thử nghiệm đánh giá hiệu suất
truyền năng lượng siêu cao tần sỗ mở ra nhiều khả năng ứng dụng thực tế trong sản xuât, đời sống
và an ninh quốc phòng.
2. Mục tiêu
-
Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và chế tạo mô đun phát siêu cao tần 2.45 GHz, phát và thử
nghiệm thu, chỉnh lưu ở khoảng cách gần nhằm đánh giá hiệu suất truyền năng lượng không
day.
-
Đề xuất mô hình truyền công suất lớn phục vụ cho hệ thống truyền năng lượng không dây
3. Phương pháp nghiên cứu
- Thiết kế, mô phỏng các khối chức năng các bộ tiền khuếch đại công suất, khuếch đại công suất
- Thiết kế mô phỏng anten mảng dùng
cho hệ thống thu phát.
4. Tổng kết kết quả nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế mô phỏng và chế tạo đồng bộ hệ thống truyền năng lượng
không dây ứên dải sóng siêu cao tần băng s, tần số 2.45GHz. Hệ thống bao gồm tuyến phát và
tuyến thu (Rectenna).
Tuyến phát bao gồm các khối chức năng biến đổi điện áp một chiều DC (tương đương nguồn một
chiều có thể lấy ra từ nguồn năng lượng mặt trời) thành dao động siêu cao tần 2.45 GHz. Bộ biến
đổi DC thành dao động 2.45 GHz được thực hiện nhờ mạch vòng khóa pha (PLL) điều khiển bộ dao
động với tần số phụ thuộc vào điện áp (VCO). Dao động 2.45 GHz được khuếch đại đủ lớn nhờ
2
khối tiền khuếch đại với công suất ra 2W để kích tầng khuếch đại công suất. Tín hiệu ở lối ra tầng
tiền khuếch đại được đua tới khối kích khuếch đại công suất 45W và cuối cùng là khuếch đại công
suất 130W. Dao động siêu cao tần với công suất lớn được đưa tới anten phát ra không gian.
Tuyến thu (Rectenna) bao gồm anten thu, bộ lọc phối hợp trở kháng, bộ chinh lưu siêu cao tần, bộ
lọc thông thấp đưa điện áp một chiều tới tải thuan trở.
Trên cơ sở hệ thống thu phát được thiết kế, chế tạo, tích hợp đồng bộ, tổ đề tài đã tiến hành thử
nghiệm hệ thonj* thu phát siêu cao tần, đánh giá hiệu suất của hệ thông truyền năng lượng không
dây trong các đieu kiện xác định và đưa ra cấu trúc hệ thống truyền năng lượng công suất lơn cho
các ứng dụng thực tế.
4.1. XÂY DựNG HỆ THỐNG PHÁT NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO TÀN
4.1.1. Thiết kế chế tạo bộ biến đỗi DC thành dao động siêu cao tần 2.45 GHz
•
Sơ đồ nguyên lý bộ tạo dao động với PLL được trình bày trên hình 4.1
•
Hình 4.1
Mạch in PCB được trình bày trên hình 4.2
3
Hình 4.2
• Bộ dao động v c o được thiết kế trên linh kiện JFET siêu cao tần loại SHF3043 theo
kiểu ba điểm điện dung. Sơ đồ nguyên lý bộ dao động 2.45 GHz được trinh bày trong
phụ lục.
• Hộp vỏ bọc kim chống nhiễu bộ v c o được trình bày trên hình 4.3
Hình 4.3
• Kết quả đo tần số phụ thuộc vào điện áp và công suất ra của bộ v c o với ừở kháng ra
50 Q được trình bày trên 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
4
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
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 sự phụ thuộc của tần số vào điện áp điều khiển cùa
vco.
3,500
1,000
500
0
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 bộ tiền khuếch đại công suất 2 tầng
•
Tầng 1 (Sử dụng transistor SGA9189)
o Sơ đồ nguyên lý được trình bày trên hình 4.5
5
H H H n
Hình 4.5
o Kết quả mô phỏng các tham số s trên hình 4.6 cho khả năng phối hợp trở kháng
tốt tại tần số 2.45 GHz.
m4
f r e q = 2 . 4 5 0 G H z
d B ( S ( 2 . 1) ) = 1 0 - 2 2 7
m2
1 r e q - 2 4 5 0GHz
d B( s ( 2 2 ) ) - - 8 . 4 8 9
f r «q ,
GHz
m3
f r e q = 2 4 5 0GHz
dB( s (1 2 ) ) =- 18 . 329
m1
í r « q - 2 450GHz
d B( 3 ( 1 1 ) ) » - 3 1 . 8 9 7
mõ
í r e q - 2 . 4 5 0 GH 2
Va w r ( s 11) ■ 1 . 0 5 2
f r e q .
GHz
ra 6
í r e q = 2 . 450GHz
v s w r ( S 2 2 ) = 2 ■207
•
Hình 4.6
Tầng 2 (Sử dụng transistor SHF0589)
Sơ đồ nguyên lý được trình bày trên hình 4.7
6
Hình 4.7
o Kết quả mô phỏng các tham số s trên hỉnh 4.8 cho khả năng phối hợp trở kháng
tốt tại tần số 2.45 GHz.
m2
f r e q = 2 . 450GHz
dB ( s ( 1 . 1 ) ) = - 2 6
f r a q ,
. 887
GH I
m3
t T e q = 2
dB( s ( 2
4 5 0GHz
2) ) = - 8 . 0 0 4
m1
í r e q = 2 4 5 0GHz
d B ( s ( 2 1 ) ) = 1 6 . 16 3
f r e q ,
GHz
m4
f r e q = 2 4 5 0GHz
d B ( s ( 1 2 ) ) = -2 1 . 3 3 9
7
m6
í r e q = 2. 450GHz
V s w r ( s 2 2 ) = 2 . 3 2 2
f r eq
GHz
m5
t r e q = 2 . 4 5 0 GHz
V s w r ( s 1 1 ) = 1 . 1 0 2
Hình 4.8
Ket quả chế tạo và đo kiểm tham số trong phòng thí nghiệm phục vụ thử nghiệm
bộ tiền khuếch đại công suất 2 w được mô tả trên hình 4.9
•
Khối tiền khuếch đại công suất 2 w
—■»II ~ý». •••
aqtv
'
*
,
.1
■
J
'ỉ
:ị
j L,
^ ■1
'ĩ. -
1I í 1
'
_
-
s
o
* í ft,-
✓ in
ỉ'
ỉ ể ) SÌ ' r
í ạ/
V í-
" R il
::
*
:
it
•
. ÌínVi u
ỊA k^d ề
■
•
%'
í
J
>:■
II
?, ^
:
ề }■
Ụ ,íjỉ;
w
V.
'1
.
'
L
;•
''ĩ
•
..... .......
Kết quả đo s 11 và S2 lcủa khối tiền khuếch đại 2W trên máy phân tích mạng
8
1 9 7 t /* l /t ) l f h r
32Ỉ :,i\ ....... liu M
AIỈ
SmăĩiiíSTiV’ ' ĩ ifỉVr.».'
r
I
MARKER 1
2 .4 5 0
994
1 1 .8 7 8 dB
5 2 7G H z
Ĩ
Hình 4.9
4.1.3. Thiết kế chế tạo bộ khuếch đại công suất 45 w
• Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại kích công suất 45w được trình bày dưới dạng thiết kể
phối hợp trở kháng cho hai nhánh lối vào và lối ra được trình bày trên hình 4.10.
o Nhánh lối vào
. MLSC
Isutxf~MSutr
Jw-2.86irm
1^37.í mm •
i^p a JiC t 0^.12081JjQJ 800X28
C2
. r * m JIUM^t20eiJia0QMM 1 * #
MUN
1UJ
Cutoié^TilQúbl*
'M2(IW
'hrm 2
MUN
UT¥^/CS
MUN
W
tKM&itor
aiM
W1-&7 mm
W>U6mm
TU
TU
Sufc*t-"U8ubr &i»K\l8ubr
W-1Q.1 mm
n » m .................................... L»3l8 mm
w»12.6ircn
L-7.1 m
•
W3 60 Chm
o Nhánh lối ra
M8ỉẩ»1
. H =1.4nvn .
Ep=4,3
Must
Cònứ=5.8E^5
Hơ=1-0^-033 ÍT
T=0-036fnm
. TanO?QQ2 .
. S-PARAMETERS
.
3 _par»n
8H
3tart=22GM z
8top*3Q K £
8lapsŨJỮ1 QH l
Rough=0 mm
9
. . .
SufcaKM&jbr
.
..
1M
LU
0N. 8ubr
8ub^M
w
-aomm
L-KLSmm
ĩ
■fcrra
lrml
Num-1
Hỉnh 4.10
Kết quả mô phỏng các tham số s trên hình 4.11 cho thấy các tham số tán xạ đáp ứng cho
tầng kích công suất,
o Nhánh lối vào
freq, GHz
freq (1.200GHz to 3 800GHz)
o Nhánh lối ra
10
m1
freq (2.200GHz to 3.000GHz)
Hình 4.11
4.1.4. Thiết kế nguyên lý khối khuếch đại công suất lối ra 130 w sử dụng
PTFA241301E
Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại kích công suất 45W được trình bày dưới dạng phối hợp ừở
kháng cho hai nhánh lối vào và lối ra được trình bày ứên hình 4.12.
• Sơ đồ nguyên lý nhánh lối vào
11
:lU’
J&BW
MWỹ.m’«
iMwilaiiiS
W
«lO,fmm1', W-12J
L*lSrai» • l»Mff
Hjnp>ufs,
’ Ì1, , ■ị\ M H ,
' Trf ' t' ', ■ "V ■ *T*0.035ram
'
SĨ<.JŨỊÌ . r I (
• • • • ......................................... FtougM im n.................................
•
Sơ đồ nguyên lý nhánh lối ra
■
4 5 ^
r
s
i
initebi
S m
" imHiuM
«(W1»38-3wnr;
ìếàm
figw>zi.8wn*i
...... __*}3ậmmrn
.Sli;W3?17‘ mm
■
UUI
IM 4 tiua
õ:'-SrS
^ Ề. ■■
. . . . Cond"&8E*&
:•
■■yii.c^»Bn«n\
T-Oras™
■ ^ i MP S ;
Hình 4.12
Kết quả mô phỏng các tham số s của nhánh lối vào và lối ra đượctrình bày ừên hình
4.13.
• Kết quả mô phỏng nhánh lối vào
12
—
nr
-10 '
fn8q=2.45 PGHz
(»-0-937
--------- d
C iS _15 ;
(Djn 15 .
mm
T? XJ
■
-20—
-25 -
\
450G H 2
xdB (S(1 ,1))= -27 .579
-V) ■
freq, GHz
freq (2.200GHz to 2.800G Hz)
freq, GHz
13
freq, GHz
Hình 4.13
•
Kết quả mô phỏng nhánh lối ra
freq (2.200GHzto 2.800GHz)
14
freq, GHz
freq, GHz
Hình 4.14
Bộ khuếch đại kích công suất và bộ khuếch đại công suất sau thiết kế mô phỏng
được gia công lắp ráp, đo kiểm tra các tham sổ chính như tần số làm việc, cônạ suất
vào/ra, hệ số khuếch đại nhờ các thiết bị đo chuyên dụng như máy đo công suất, máy
phân tích phổ, phân tích mạng.
• Mô đun công suất tầng ra 130W tích hợp với tầng kích công suất 45 w được trình
bày trên hình 4.15
4.2. T
THU RECTENNA
15
4.2.1. Thiết kế chế tạo bộ chỉnh lưu một nửa chu kỳ 2.45 GHz dùng diode
Thiết kế mạch chinh lưu cao tần với yêu cầu phối hợp ứở kháng 50 Ohm ở tần số
2.45GHz, đầu vào tín hiệu RF, đầu ra DC, nâng cao hiệu suất chỉnh lưu.
Phương pháp thiết kế:
s Lựa chọn diode Schottky HSMS2820 là diode cao tần, biến đổi tò năng lượng RF
ra DC. Với diode Schottky HSMS 2820 ta có đặc trưng điện áp lối ra chỉnh lưu
(Vra) phụ thuộc vào công suất dao động siêu cao tần ở lối vào, được trình bày
ứên hình 4.16
Công suất lối vảo (dBm)
Hình 4.16
Trên hình 4.16 cho thấy dải giá trị điện áp ra phụ thuộc vào công suất đầu vào của diode
HSMS2820 phù hợp với dải công suất thử nghiệm thực tế ừong phòng thí
nghiệm.
s Phối hợp trở kháng bằng phương pháp sử dụng đường truyền mạch dải, tần số
đáp ứng 2.45GHz.
Bộ chinh lưu nối tiếp một nửa chu kỳ được thiết kế mô phỏng dùng phần mềm ADS
được trình bày trên hình 4.17.
16
- Xem thêm -
.PDF 
152 
39 
138 
