Thiết kế mạch thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông cho các cảm biến không dây tự chủ năng lượng

Bài viết đề xuất một mạch thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông trong môi trường xung quanh. Mạch được đo đạc và thử nghiệm thu hoạch năng lượng ở dải tần số 3.6-3.8 GHz tương ứng với nguồn sóng viễn thông công nghệ 5G trong điều kiện thử nghiệm ở phòng nghiên cứu cho hiệu suất chuyển đổi RFDC cao nhất đạt 50% khi công suất sóng tới là 0 dBm và 39% tại -10 dBm.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế mạch thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông cho các cảm biến không dây tự chủ năng lượng Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Thiết kế mạch thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông cho các cảm biến không dây tự chủ năng lượng Vũ Hồng Tiến, Lê Minh Thùy* Bộ môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp, Viện Điện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Hà Nội, Việt Nam tien.vh164838@sis.hust.edu.vn; Liên hệ: *thuy.leminh@hust.edu.vn Lời dẫn– Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một mạch suất tới 455 µW/m2. Tuy nhiên các mật độ công suất sóng tới thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông trong môi trong [4-5] lớn hơn rất nhiều so với mật độ sóng viễn thông trường xung quanh. Mạch được đo đạc và thử nghiệm thu tồn tại trong môi trường thực tế. Thiết kế mạch thu hoạch đa hoạch năng lượng ở dải tần số 3.6-3.8 GHz tương ứng với băng tần [6] cho hiệu suất gần 40% cho các băng tần LTE nguồn sóng viễn thông công nghệ 5G trong điều kiện thử 700, GSM 850 và ISM 900 tại công suất sóng tới -10 dBm. nghiệm ở phòng nghiên cứu cho hiệu suất chuyển đổi RF- Mạch chỉnh lưu xử lý sóng hài bậc cao trong [7] giúp nâng DC cao nhất đạt 50% khi công suất sóng tới là 0 dBm và cao hiệu suất lên 11% so với khi không áp dụng kỹ thuật này. 39% tại -10 dBm. Hiệu suất chuyển đổi được nâng cao Các giải pháp này ngoài mục tiêu tối đa hóa năng lượng thu nhờ giải pháp không sử dụng mạch phối hợp trở kháng hoạch được còn đơn giản hóa thiết kế đề xuất để có thể tích nối giữa mạch chỉnh lưu và ăng-ten, nhờ đó kích thước hợp vào các mạch cảm biến không dây tự chủ năng lượng. Dù của mạch cũng được giảm. đã có nhiều thiết kế có hiệu suất chuyển đổi cao lên tới trên 40%, nhưng các thiết kế này chỉ thích hợp cho điều kiện Từ khóa – Thu hoạch năng lượng từ sóng điện từ, ăng-ten, phòng thí nghiệm với công suất tới cao (từ 0 dBm tới 14 dBm) 5G, cảm biến không dây tự chủ năng lượng. [8-9] và không phù hợp với thực tế là công suất tới của các I. GIỚI THIỆU CHUNG nguồn sóng viễn thông chỉ vào khoảng từ -10 dBm tới -30 dBm. Ngoài ra, do công suất tới thấp, việc lựa chọn tải tối ưu Ý tưởng về hệ thống truyền năng lượng không dây đã sao cho điện áp ra từ mạch chỉnh lưu lớn nhưng dòng ra nhỏ được Nikolas Tesla đề xuất trong các phát minh sáng chế từ là nguyên nhân khiến cho thời gian sạc pin lâu. Từ các phân những năm 1900. Tuy nhiên cho tới mười năm trở lại đây, tích nói trên có thể thấy rằng thách thức chính là việc nâng cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, công nghệ vi cao hiệu suất chuyển đổi của mạch thu hoạch năng lượng với cơ điện tử và truyền thông không dây mà hướng nghiên cứu công suất tín hiệu tới thấp tương ứng với điều kiện hoạt động về thu hoạch năng lượng từ sóng điện từ (RF energy thực tế. harvesting) mới trở nên hấp dẫn với các nhà nghiên cứu, các Trong bài báo này, chúng tôi sẽ trình bày một thiết kế kết quả bước đầu mở ra tương lai về một giải pháp cung cấp mạch thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thông có trong môi năng lượng sạch và nguồn cung cấp năng lượng lâu dài cho trường sống với công suất tới -10dBm. Mạch đề xuất sử dụng các thiết bị điện tử tiêu thụ công suất thấp cỡ vài mW [1-2] công nghệ mạch vi dải và được chế tạo, đo kiểm trong phòng như các nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây, thay thí nghiệm cho kết quả thu hoạch năng lượng lên tới 39% từ thế cho phương án cấp nguồn truyền thống sử dụng pin vốn nguồn sóng viễn thông 5G trong thực tế. có dung lượng hữu hạn và gây ô nhiễm môi trường [3]. Mặc dù mạch thu hoạch năng lượng từ sóng điện từ được cấu tạo II. THIẾT KẾ MẠCH THU HOẠCH NĂNG LƯỢNG tương tự như khối mạch thu trong hệ thống truyền năng lượng Mạch thu hoạch năng lượng từ sóng điện từ, thường gọi không dây, bao gồm một ăng-ten thu và một mạch chỉnh lưu là rectenna có cấu tạo gồm hai phần tử chính là ăng-ten thu để chuyển đổi nguồn năng lượng từ RF sang năng lượng một và mạch chỉnh lưu (xem Hình 1). Ăng-ten giúp chuyển đổi chiều (DC). Nhưng điểm khác biệt là hệ thống thu hoạch năng năng lượng sóng điện từ trong môi trường thành điện áp xoay lượng từ sóng điện từ khai thác năng lượng từ các nguồn sóng chiều tần số cao. Năng lượng thu được này sẽ được chuyển điện từ có mặt trong môi trường sống như sóng viễn thông tới mạch chỉnh lưu và lọc nhằm biến đổi chúng thành điện áp (2G/3G/4G/5G) hoặc sóng Wi-Fi chứ không sử dụng một bộ một chiều phù hợp cho việc lưu trữ và cấp nguồn cho các thiết phát nguồn không dây. Cấu trúc này giúp giảm chi phí thiết ...