ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỒNG VĂN TỚI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ NẠP ĐIỆN KHÔNG DÂY
CHO ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI-2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỒNG VĂN TỚI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ NẠP ĐIỆN KHÔNG DÂY
CHO ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử ,Truyền Thông
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
Mã số: 8510302.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn khoa học : GS.TS Bạch Gia Dương

HÀ NỘI-2019



chế nên trong quá trình viết bài không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được
những đóng góp của quý thầy cô và các bạn để bài luận văn được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày

2

tháng

năm 2019


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ..............................................................................................................9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SIÊU CAO
TẦN ........................................................................................................................... 10
1.1.

Truyền năng lượng không dây ...................................................................... 10

1.1.1.

Lịch sử hệ thống truyền năng lượng không dây[5] ................................ 10

1.1.2.

Đặc điểm chung của hệ thống ................................................................. 11

1.1.3.


2.4. Anten mảng vi dải nhiều phần tử[2]. ................................................................. 33
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỐI PHÁT-THU CỦA BỘ
NẠP ĐIỆN KHÔNG DÂY CHO ĐIỆN THOẠI ..................................................... 36
3.1. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại đệm dùng chip SHF-0189 ........... 36
3.1.1. Chip cao tần SHF-0189[10] ........................................................................ 36
3.1.2. Phối hợp trở kháng cho chip SHF-0189 ..................................................... 38
3


3.1.3. Chế tạo. ....................................................................................................... 43
3.1.4. Đo đạc kết quả và nhận xét ......................................................................... 43
3.2. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ khuếch đại công suất dùng chip SHF-0589.
................................................................................................................................... 45
3.2.1. Chip cao tần SHF-0589[11] ........................................................................ 45
3.2.2. Phối hợp trở kháng cho chip SHF-0589 ..................................................... 47
3.2.3. Chế tạo ........................................................................................................ 52
3.2.4. Đo đạc kết quả ............................................................................................ 53
3.3. Thực hiện ghép nối bộ khuếch đại đệm và bộ khuếch đại công suất ................ 54
3.4. Thiết kế anten mảng vi dải ................................................................................. 56
3.4.1. Yêu cầu thiết kế .......................................................................................... 56
3.4.3. Mô phỏng anten. ......................................................................................... 57
3.4.4. Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 57
3.4.5. Chế tạo và đo đạc anten. ............................................................................. 59
3.5. Nghiên cứu, thiết kế mạch chỉnh lưu Rectenna ................................................. 61
3.5.1. Mạch nhân áp phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây chêm đơn hở mạch.
............................................................................................................................... 61
3.6. Thử nghiệm truyền năng lượng không dây........................................................ 63
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 66


Viện công nghệ Massachusetts
Vệ tinh thu năng lượng mặt trời
Hệ số sóng đứng điện áp
Truyền năng lượng không dây
Tần số vô tuyến
Dòng điện một chiều


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Băng tần sóng cao tần theo IEEE. ................................................................... 15
Bảng 2: Yêu cầu thiết kế anten mảng vi dải nhiều phần tử .......................................... 56

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mô hình hệ thống truyền năng lượng không dây ......................................... 11
Hình 1.2: Anten mảng vi dải nhiều phần tử....................................................................5
Hình 2.1: Đường truyền sóng (a) và mạch tương đương (b). ...................................... 16
Hình 2.2: Sóng truyền trên đường truyền. .................................................................... 17
Hình 2.3: Sóng đứng điện áp trên đường truyền không hao tổn có mắc tải đầu cuối. 19
Hình 2.4: Sóng đứng dòng điện và sóng đứng điện áp trên đường truyền không hao
tổn có mắc tải đầu cuối. ................................................................................................ 19
Hình 2.5: Các vòng tròn đẳng r trong mặt phẳng phức Γ. ........................................... 22
Hình 2.6: Các vòng tròn đẳng x trong mặt phẳng phức Γ. .......................................... 23
Hình 2.7: Các vòng tròn đẳng |Γ| và đẳng S trong mặt phẳng phức Γ. ....................... 24
Hình 2.8: Giản đồ Smith. .............................................................................................. 26
Hình 2.9: Mạch phối hợp trở kháng không tổn hao giữa trở kháng tải bất kỳ và đường
truyền dẫn sóng. ............................................................................................................ 28
Hình 2.10: Mạch phối hợp trở kháng hình L. ............................................................... 29

Hình 3.23: Kết qủa mô phỏng và biểu diễn trên đồ thị Smith của kết quả tại tần số
2.45GHz. ....................................................................................................................... 50
Hình 3.24: Mô tả mạch phối hợp trở kháng lối ra bằng đồ thị Smith. ......................... 51
Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối ra. ..................... 51
Hình 3.26: Kết qủa mô phỏng và biểu diễn trên đồ thị Smith của kết quả tại tần số
2.45GHz. ....................................................................................................................... 50
Hình 3.27: Sơ đồ mô phỏng dùng file .S2P của bộ khuếch đại công suất. ................... 50
Hình 3.28: Kết quả mô phỏng của bộ khuếch đại. ........................................................ 51
Hình 3.29: Layout của mạch khuếch đại công suất dùng chip SHF-0589. .................. 51
Hình 3.30: Sản phẩm thực tế bộ khuếch đại công suất. ................................................ 52
Hình 3.31: Kết nối bộ khuếch đại công suất với máy đo. ............................................. 52
Hình 3.32: Kết quả đo tham số S21 trên máy phân tích mạng. .................................... 53
Hình 3.33: Kết quả đo tham số S11 trên máy phân tích mạng. .................................... 53
Hình 3.34: Mô đun khuếch đại 2W hoạt động ở tần số 2.45GHz. ................................ 54
Hình 3.35: Thực hiện đo kiểm Mô đun khuếch đại với máy phân tích phổ. ................. 55
Hình 3.36: Kết quả đo Mô đun khuếch đại công suất trên máy phan tích phổ. ........... 55
Hình 3.37: Mô phỏng Anten mảng vi dải 8 phần tử trên phần mềm CST. ................... 57
Hình 3.38: Kết quả mô phỏng tham số S11 của Antenna. ............................................ 58
Hình 3.39: Giản đồ bức xạ và đồ thị biểu diễn độ lợi (Gain)và hướng tính của anten.
....................................................................................................................................... 59
Hình 3.40: Sản phẩm thực tế anten mảng vi dải 8 phần tử. ......................................... 60
Hình 3.41: Đo đạc Anten mang vi dải với máy phân tích mạng. .................................. 60
Hình 3.42: Kết quả đo tham số S11 trên máy phân tích mạng. .................................... 61
Hình 3.43: Sơ đồ nguyên lý mạch nhân áp phối hợp trở kháng theo kiểu đoạn dây
chêm đơn hở mạch. ....................................................................................................... 62
Hình 3.44: Kết quả mô phỏng mạch nhân áp phối hợp trở kháng tại tần số 2.45GHz. 62
Hình 3.45: Thiết kế layout mạch nhân điện áp có phối hợp trở kháng. ....................... 63
Hình 3.46: Sản phẩm thực tế mạch nhân điện áp có phối hợp trở kháng. ................... 63
Hình 3.47: Mô hình thử nghiệm truyền năng lượng không dây.................................... 64


nghiệm, luận văn đã thực hiện những nội dung sau:
+ Tìm hiểu hệ thống truyền năng lượng không dây dùng sóng siêu cao
tần, cấu trúc hệ thống thu – phát năng lượng không dây.
+ Tìm hiểu về lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, kỹ thuật phối hợp trở
kháng, lý thuyết anten mảng vi dải nhiều phần tử.
+ Chế tạo mô đun khuếch đại công suất hoạt động ở tần số 2.45GHz với
hệ số khuếch đại trên 10 dB.
+ Chế tạo anten mảng vi dải nhiều phần tử dùng cho hệ thống phát – thu.
+ Tìm hiểu lý thuyết, mô phỏng và chế tạo mạch chỉnh lưu chuyển đổi
RF-DC hoạt động ở tần số 2.45GHz.
+ Đánh giá kết quả đã đạt được và kết luận.
9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG
SIÊU CAO TẦN
1.1.

Truyền năng lượng không dây
Định nghĩa: Truyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây
WPT(Wireless Power Transmitter) là quá trình truyền năng lượng trong một
dạng nào đó xảy ra trong một môi trường xác định, ở đó năng lượng được truyền
dẫn theo một hướng từ một nguồn năng lượng đến một tải tiêu thụ mà không
cần dây dẫn[1].
Truyền năng lượng không dây khác với truyền thông tin không dây trong
viễn thông (như Radio, TV, Radar,…) ở đó thông tin ở phía máy phát tuy có lớn
(cỡ W,kW) nhưng được truyền đi mọi hướng, tín hiệu có thể được nằm trong
một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở phía thu thường rất nhỏ (cỡ vài nW
đến vài μW) sau đó được mô đun thu xử lý khuếch đại để phục hồi lại thông tin
ban đầu. Còn trong lĩnh vựa truyền năng lượng không dây thì truyền có định

tiêu chỉ định ở khoảng cách 55 mét.
1.1.2. Đặc điểm chung của hệ thống
- Truyền năng lượng không dây có thể được phân chia thành hai loại chính:
o Truyền năng lượng không dây dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện từ hay
cảm ứng từ. Phương pháp này được ứng dụng phổ biến trong các ứng
dụng truyền tải năng lượng tiệm cận không tiếp xúc.
o Truyền năng lượng không dây dựa trên hiệu ứng sóng điện từ. Năng
lượng được truyền đi theo các chùm tia năng lượng có mật độ công suất
lớn hay còn được gọi là chùm tia công suất cao (high power beam). Chùm
tia này di chuyển trong không gian theo hiện tượng sóng điện từ. Tùy vào
các ứng dụng cụ thể, khoảng cách truyền có thể thay đổi từ vài mét đến
vài chục hay hàng nghìn km.
1.1.3. Mô hình hệ thống truyền năng lượng không dây

Hình 1.1: Mô hình hệ thống truyền năng lượng không dây.
- Đầu tiên, ở bên phát, năng lượng điện được chuyển hóa thành sóng vi ba
thông qua bộ tạo dao động, qua các tầng khuếch đại rồi đưa đến anten để
truyền đi.
- Ở nơi nhận, sóng vi ba được thu bởi anten rồi qua bộ lọc phối hợp trở kháng
lấy tín hiệu có ích, tín hiệu này được đưa đến bộ chỉnh lưu để chuyển hóa từ
năng lượng sóng vi ba thành năng lượng một chiều, năng lượng này chính là
năng lượng dùng cho các thiết bị dân dụng thông thường. Anten thu bao gồm
11


cả nhận sóng vi ba và chỉnh lưu gọi là Rectenna. Rectenna nhận sóng vi ba
chuyển đổi thành năng lượng điện và sau đó hòa vào mạng lưới.
- Với nguyên lý hoạt động như vậy, hệ thống truyền năng lượng không dây có
thể được ứng dụng cho hệ thống truyền năng lượng từ vệ tinh với khoảng
cách hàng chục nghìn mét. Các tấm pin mặt trời ngoài không gian lấy năng

kháng.
Từ đó, luận văn đề xuất xây dựng các thành phần của tuyến phát-thu năng lượng
sóng siêu cao tần cho hệ thống truyền năng lượng không dây ứng dụng cho việc
sạc điện thoại di động, cụ thể gồm: thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại đệm, mạch
khuếch đại công suất, anten thu – phát, bộ chỉnh lưu. Trong đó, nghiên cứu đề
12


xuất giải pháp phối hợp trở kháng dải rộng, kết hợp việc thay đổi thang trở và
dùng phần tử tập trung đặc trưng cho hệ thống 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.
1.3.

Tìm hiểu Anten mảng vi dải nhiều phần tử[2]
- Trong các hệ thống thu phát năng lượng không dây sử dụng sóng siêu cao
tần, các anten đóng vai trò vô cùng quan trọng trong khía cạnh định hướng
năng lượng nên anten ảnh hưởng rất lớn đến hiêu suất thu phát của cả hệ
thống.
- Vì vậy, với hệ thống WPT, chúng ta phải sử dụng anten mảng vi dải nhiều
phần tử để điều chỉnh chính xác chùm tia vi ba. Anten mảng nhiều phần tử
là loại anten định hướng, nó có thể điều khiển hướng của chùm tia vi ba.
- Anten mảng là một loại anten thuộc loại anten thông minh mới phát triển
trong những thập niên gần đây.
- Gồm nhiều anten phần tử cùng loại được sắp xếp theo một quy tắc nhất
định nhằm mục đích nâng cao độ định hướng của anten.

Hình 1.2: Anten mảng vi dải nhiều phần tử.
13


cầu tăng kích thước và số lượng các bộ rectenna. Một điểm hạn chế nữa đó
chính là sự giới hạn về mức công suất của từng đơn vị rectenna sẽ không thể
vượt qua ngưỡng 30dBm mà hiệu suất vẫn đảm bảo cao.

14


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN
2.1. Cơ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần
2.1.1. Giới thiệu chung[4]
- Sóng siêu cao tần là các sóng vô tuyến bước sóng rất nhỏ được trải dài từ 1mm
đến 1m (tần số nằm trong dải từ 300MHz đến 300GHz)
- Kỹ thuật siêu cao tần là kỹ thuật thiết kế hệ thống truyền thông trong dải sóng
siêu cao tần
- Mạch siêu cao tần là một nhóm các thiết bị vật lý bao gồm các ống dẫn sóng,
các bộ suy giảm điện áp các bộ xoay pha, bộ trộn, bộ tách sóng,… và vô số các đường
nối được sắp xếp hoặc kết nối với nhau để tạo ra hiệu ứng mong muốn của sóng cao
tần.
- Băng tần là một miền của phổ tần số truyền thông, ở đó các kênh thường được
sử dụng hoặc được thiết lập với cùng mục đích. Dưới đây là bảng tổng hợp các bảng
tần số cơ bản.
Bảng 1: Băng tần sóng cao tần theo IEEE.
Băng tần

Tần số

Tên gọi – Bước sóng

3 tới 30 MHz


4 tới 8 GHz

Dải tần nằm giữa băng S và X: 3.75-7.5cm

Băng X

8 tới 12 GHz

Băng Ku
Băng K

12 tới 18 GHz
18 tới 27 GHz

Sử dụng trong Thế chiến II cho hệ thống
điều khiển hỏa lực, X có nghĩa là chữ
thập:2.5-3.75cm
Kurz-under 1.67-2.5cm
Kurz:1.11-1.67cm

Băng HF

15


Băng Ka
Băng mm

27 tới 40 GHz


dẫn theo chiều ngược lại đó là thành phần cảm ứng, cũng sẽ có một điện trở hữu
hạn nối tiếp trong các dây dẫn.
+ R: Điện trở nối tiếp (Ω);
+ L: Điện cảm nối tiếp (H);
Áp dụng định luật Kirchhoff ta có phương trình đường truyền:
(2.1)
(2.2)
Lấy đạo hàm các phương trình ta được:
(2.3)
(2.4)
Với
với là một số phức.
Vậy phương trình truyền sóng của đường truyền là phương trình vi
phân tuyến tính. Nghiệm chung của phương trình truyền sóng:
(2.5)
(2.6)
Các hàm V(z) và I(z) mô tả dòng và thế tại mọi vị trí z trên đường truyền.
Sóng
hay
truyền theo phương +z.
Sóng
hay
truyền theo phương –z.

Hình 2.2: Sóng truyền trên đường truyền.

17


2.1.2.2. Hệ số phản xạ

| | ||
Viết lại công thức trên theo (2.12), lấy l = -z, ta có:
|
(2.13)
| | | ||
Có thể biểu thị dưới dạng: Γ = |Γ|
Công thức (2.13) sẽ có dạng:
| |
|
(2.14)
| | | ||
Ta nhận thấy V đạt giá trị cực đại khi
, tương ứng với:
(2.15)
18


Ta nhận thấy V đạt giá trị cực tiểu khi

, tương ứng

với:
(2.16)
Từ (2.15) ta xác định khoảng cách giữa hai điểm cực đại kề nhau:
(2.17)
Với đường truyền không tổn hao
, do đó
.
Khoảng cách giữa hai điểm cực đại và cực tiểu kề nhau là:
(2.18)


|

|

|

|

(2.20)

| |)

(2.21)

| |)

(2.22)

Tỷ siis biên độ của điện áp tại điểm bụng và điểm nút được gọi là hệ số
sóng đứng, viết tắt là VSWR.
| |
1 ≤ VSWR ≤
(2.23)
| |

Khi Γ = 0 ta có hệ số sóng đứng VSWR = 1, nghĩa là biên độ của sóng
điện áp (hoặc dòng điện) có giá trị như nhau trên suốt chiều dài của đường truyền.
Sóng trên đường truyền được gọi là sóng chạy.
Từ công thức trên ta cũng rút ra được quan hệ giữa hệ số sóng đứng S

+ Khi Γ = 1, công suất sóng tới và sóng phản xạ có giá trị bằng nhau do đó
công suất truyền cho tải bằng 0.
20


+ Khi Γ ≠ 0, không phải toàn bộ công suất được truyền cho tải mà còn có một
bộ phận bị phản xạ lại gây tổn hao công suất. Ta gọi đó là tổn hảo do phản xạ (tỷ số
giữa công suất phản xạ và công suất đến).
2.2. Giản đồ Smith
Trong kỹ thuật siêu cao tần các bài toán phân tích thiết kế các mạch điện ở tần
số siêu cao thường dẫn tới việc giải các hệ phương trình rất phức tạp. Để đơn giản
hóa các bài toán, chúng ta có thể giải thông qua các đồ thị giản đồ.
Và giản đồ được biết đến, sử dụng rộng rãi và là công cụ đồ họa hữu dụng
dành cho các kỹ sử điện tử, đặc biệt là điện tử cao tần là Giản đồ Smith được Phillip
Smith phát minh tại phòng thí nghiệm Bell Telephone vào năm 1939. Giản đồ có thể
sử dụng để biểu diễn nhiều tham số của đường dây truyền dẫn cũng như mạch cao
tần (trở kháng, dẫn nạp, hệ số phản xạ).
Giản đồ này được biểu diễn hình học bởi biểu thức:
(2.26)
Viết chuẩn hóa dưới dạng (chia cho R0)
(2.27)
Với Γ = |Γ|

, biểu thức chuẩn hóa có dạng:
| |

(2.28)

| |


giản đồ và luôn đi qua điểm có
. Giá trị r của mỗi vòng tròn đẳng
r được ghi dọc theo trục hoành, từ 0 → (điểm bên trái ứng với giá trị
r = 0, điểm bên phải ứng với giá trị r = ).
o Ta có những nhận xét sau:
 Khi r=0, đường tròn r=0 có tâm tại (0,0) bán kính đơn vị 1. Đây
là đường tròn có tâm tại gốc tọa độ của mặt phẳng phức Γ án
kính là 1. Tất cả các giá trị của hệ số phản xạ trên đường tròn này
đều tương ứng với trở kháng đường dây thuần kháng với thành
phần điện trở bị triệt tiêu. Ta có thể kiểm chứng được rằng trong
điều kiện trở kháng đường dây là thuần kháng hoặc bằng 0 (hay
) thì |Γ|=1.
 Khi r=1, ta có đường tròn đẳng r=1 đi qua gốc tọa độ của Γ có
tâm là (1/2,0) bán kính 0.5. Đường tròn này có tâm nằm trên trục
. Ta nói rằng mọi điểm hệ số phản xạ Γ nằm trên vòng tròn đều
tương ứng với trở kháng của đường dây có phần thực R đúng
bằng trở kháng chuẩn hóa .
22