TỔNG QUAN VỀ THU THẬP NĂNG LƯỢNG QUA SÓNG VÔ TUYẾN
Giới thiệu các phương thức thu thập năng lượng hiện nay
Hình 1.1 Các nguồn năng lượng có sẵn trong môi trường và mật độ công suất của chúng
Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đã làm cho vấn đề năng lượng trở nên cấp thiết Nguồn năng lượng hóa thạch, vốn được sử dụng lâu nay, đang dần khan hiếm Các nhà khoa học dự đoán rằng nếu tiếp tục khai thác tài nguyên hóa thạch như hiện tại, con người sẽ cạn kiệt nguồn tài nguyên này trong vài thế kỷ tới Do đó, nhu cầu về các nguồn năng lượng thay thế ngày càng trở nên quan trọng, và khái niệm "Năng lượng sạch" ngày càng phổ biến Năng lượng sạch là nguồn năng lượng tái tạo, có tác động tích cực đến môi trường Vì vậy, việc sử dụng năng lượng sạch là yếu tố thiết yếu cho sự phát triển bền vững trong tương lai.
1.1.1 Thu thập năng lượng dao động cơ học
Dao động cơ học rất phổ biến trong cuộc sống hàng ngày, và các nguồn dao động này có thể được chuyển đổi thành năng lượng điện Quá trình chuyển đổi thường sử dụng các rung động từ môi trường xung quanh để tạo ra năng lượng trên các vật liệu áp điện, là những chất rắn có khả năng tích tụ hoặc sinh ra điện khi chịu tác động của áp suất Ngoài việc sử dụng vật liệu áp điện, còn có phương pháp chuyển đổi năng lượng dao động cơ học thành năng lượng điện thông qua hiệu ứng cảm ứng từ.
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 4 sự dao động cơ tới nam châm được đặt trong cuộn dây để sinh ra dòng cảm ứng theo định lý Faraday a) b)
Các phương pháp chuyển đổi dao động cơ thành năng lượng điện bao gồm hai hình thức chính: sử dụng vật liệu áp điện và sử dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ Hình thức đầu tiên tận dụng khả năng tạo ra điện năng từ áp lực cơ học, trong khi hình thức thứ hai dựa vào sự thay đổi từ trường để sinh ra điện Những phương pháp này mở ra tiềm năng lớn trong việc khai thác năng lượng từ các nguồn dao động tự nhiên.
1.1.2 Thu thập năng lượng từ ánh sáng
Công nghệ chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng thành điện năng ngày càng phổ biến, đặc biệt là việc sử dụng năng lượng mặt trời Hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động dựa trên các tấm pin quang điện, chuyển đổi ánh sáng thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo dồi dào và gần như vô tận, giúp thay thế các nguyên liệu hóa thạch Tuy nhiên, công nghệ này vẫn phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết và cần có giải pháp xử lý hiệu quả.
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 5, cho biết rằng việc xử lý các tấm pin năng lượng hỏng hoặc hết hạn sử dụng là rất quan trọng, vì nếu không được xử lý cẩn thận, chúng có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường.
Hình 1.3 Hệ thống pin năng lượng mặt trời
1.1.3 Thu thập năng lượng từ nhiệt
Hình 1.4 Sơ đồ cơ chế của hiệu ứng Seebeck trong mạch
Công nghệ thu năng lượng nhiệt để chuyển đổi thành năng lượng điện chủ yếu dựa vào hoạt động của máy phát nhiệt điện Quá trình này diễn ra nhờ hiệu ứng nhiệt điện, cho phép chuyển đổi trực tiếp nhiệt thành điện dựa trên các đặc tính vật lý của vật liệu nhiệt điện như độ dẫn nhiệt, độ dẫn điện và hệ số Seebeck Các thiết bị này, thường được gọi là máy phát nhiệt điện, hoạt động dựa vào hiệu ứng Seebeck, xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ trên một dây dẫn.
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 6, cho biết rằng khi đo điện áp trên dây dẫn, hiện tượng khuếch tán nhiệt sẽ tác động đến các hạt mang điện, từ đó tạo ra dòng điện.
1.1.4 Thu thập năng lượng vô tuyến
Chuyển đổi năng lượng RF là quá trình thu thập năng lượng sóng điện từ từ môi trường xung quanh để cung cấp cho các mạch năng lượng thấp Hệ thống cơ bản bao gồm việc thu năng lượng RF qua anten và chuyển đổi tín hiệu RF thành dòng DC thông qua mạch chỉnh lưu, với hiệu suất chuyển đổi phụ thuộc vào sự phối hợp trở kháng giữa anten và mạch chỉnh lưu Sự phát triển công nghệ hiện nay làm gia tăng số lượng thiết bị sử dụng tín hiệu RF, tạo ra nguồn năng lượng RF luôn sẵn có và không bị ảnh hưởng bởi thời tiết như năng lượng ánh sáng Hơn nữa, năng lượng RF dễ dàng tích hợp vào các thiết bị điện tử hơn so với nguồn dao động nhiệt hay dao động cơ học Dưới đây là bảng so sánh tổng quát các ưu nhược điểm của các nguồn năng lượng chuyển đổi hiện nay.
Bảng 1.1 Năng lượng từ các nguồn chuyển đổi
Nguồn Năng lượng phát Năng lượng chuyển đổi Ưu điểm Nhược điểm ÁNH SÁNG
- Năng lượng bề mặt cao
- Không phải lúc nào cũng có
- Yêu cầu phải liên tục tiếp xúc với ánh sáng
- Không phải lúc nào cũng có sẵn
- Năng lượng bề mặt cao
- Dễ hỏng do nhiệt độ quá nóng
GSM 0.3𝜇𝑊/𝑐𝑚 2 0.1 𝜇𝑊/𝑐𝑚 2 - Luôn có sẵn trong không gian
- Hiệu suất chuyển đổi tỷ lệ nghịch với khoảng cách
Truyền năng lượng qua sóng vô tuyến và lịch sử thu thập năng lượng vô tuyến 7 1 Truyền năng lượng không dây
1.2.1 Truyền năng lượng không dây Định nghĩa: “Truyền năng lượng không dây hay truyền công suất không dây – Wireless Power Transmitter (WPT) 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 biệt với truyền thông tin không dây trong viễn thông như Radio, TV, và Radar, vì khi truyền thông tin từ máy phát, mặc dù có thể lớn, nhưng không cung cấp năng lượng.
Tín hiệu có thể được truyền đi mọi hướng với công suất rất nhỏ, thường nằm trong khoảng từ nW đến μW, và sau đó sẽ được các module thu xử lý và khuếch đại để phục hồi thông tin ban đầu Trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây, việc truyền tín hiệu có định hướng là quan trọng, với mật độ năng lượng và hiệu suất cần được tối ưu hóa.
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 8 truyền năng lượng là quan trọng nhất, ở đây tín hiệu mang năng lượng thường chỉ tồn tại ở một tần số
Truyền năng lượng không dây được chia thành hai loại chính: dựa trên hiệu ứng cảm ứng điện từ và dựa trên hiệu ứng sóng điện từ Phương pháp cảm ứng điện từ thường được sử dụng trong các ứng dụng sạc không dây và truyền tải năng lượng tiệm cận không tiếp xúc Trong khi đó, truyền năng lượng dựa trên sóng điện từ sử dụng chùm tia năng lượng có mật độ công suất lớn, hay còn gọi là chùm tia công suất cao, di chuyển trong không gian theo hiện tượng sóng điện từ Tại phía thu, chùm năng lượng này được chuyển đổi thành năng lượng dòng điện một chiều, với khoảng cách truyền có thể thay đổi từ vài mét đến vài chục mét tùy theo ứng dụng cụ thể Lịch sử thu thập năng lượng vô tuyến có sự góp mặt của nhiều nhân vật quan trọng như Nikola Tesla, Heinrich Hertz và W.C Brown với thí nghiệm mô hình rectenna của ông.
Hình 1.6 Hình ảnh của Nikola Tesla, Heinrich Hertz và William.C.Brown
Hơn 100 năm trước, Nikola Tesla đã phát triển khái niệm truyền tải điện không dây, mô tả nó như “một phương pháp để sử dụng truyền năng lượng thông qua môi trường tự nhiên” Ông đã giới thiệu một số cách truyền năng lượng không dây, trong đó có việc tạo ra thiết bị bức xạ năng lượng đến các thiết bị nhận ở khoảng cách xa Khái niệm này được củng cố bởi nghiên cứu của Heinrich Hertz, người đầu tiên chứng minh sự tồn tại của sóng điện tử Mặc dù Tesla không thành công trong việc thương mại hóa các hệ thống truyền tải không dây, nhưng những đóng góp của ông là rất quan trọng Để truyền năng lượng hiệu suất cao, cần sử dụng tần số cao Vào những năm 1930, nhiều tiến bộ đã được thực hiện trong việc tạo ra sóng cao tần từ 1-10 GHz, với sự phát triển của ống chân không Magnetron và Klystron Sau Thế chiến II, công nghệ Radar đã dẫn đến sự phát triển của các đèn vi ba với năng lượng và hiệu suất cao.
Dựa trên sự phát triển của sóng vi ba trong Thế chiến II, việc thu sóng vi ba để cung cấp nguồn năng lượng một chiều DC thông qua truyền dẫn không dây đã được nghiên cứu, bắt đầu từ các chùm tia công suất cao do W.C Brown phát hiện vào năm 1950 Ông là người khởi đầu cho thời đại truyền năng lượng không dây cùng với các ống sóng vi ba công suất cao của Raytheon Company Đến năm 1958, một ống khuếch đại với công suất 15 kW đã được phát triển, đạt hiệu suất chuyển đổi RF-DC trung bình 81% Thiết bị thu nhận và chuyển đổi năng lượng vi ba đầu tiên xuất hiện vào năm 1960.
Tại Raytheon, một rectenna đã được phát triển với anten dipole nửa bước sóng và mạch cầu cân bằng sử dụng một diode bán dẫn duy nhất Đầu ra của rectenna được kết nối với một tải, và dải tần 2.45 GHz được lựa chọn do tính phổ biến và hiệu quả của nó Do đó, các mạch chuyển đổi năng lượng rectenna chủ yếu tập trung nghiên cứu vào dải tần này.
Dựa trên nghiên cứu của Brown, năm 1968, P.E Glaser đã đề xuất truyền năng lượng không dây từ mặt trời sử dụng công nghệ chùm tia công suất, được coi là thành quả đầu tiên về vệ tinh năng lượng mặt trời (Solar Power Satellite - SPS) Hiệu suất chuyển đổi năng lượng được xác định bởi tỷ lệ năng lượng vô tuyến được chuyển đổi thành năng lượng dòng một chiều qua rectenna Hiệu suất chuyển đổi cao nhất được ghi nhận vào năm 1977 bởi mạch rectenna phát triển bởi Raytheon Company, sử dụng diode Schottky GaAsPt, đạt hiệu suất lên tới 90.6% với mức năng lượng đầu vào 8W.
Một ứng dụng quan trọng của công nghệ truyền năng lượng không dây là thẻ nhận dạng (Identification tags) Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification), được phát minh vào những năm 1980, cho phép theo dõi và quản lý hàng hóa một cách hiệu quả Thẻ RFID sử dụng sóng radio để truyền tải thông tin, giúp tăng cường khả năng nhận diện và giảm thiểu sai sót trong quá trình quản lý Ứng dụng này đã trở thành một phần thiết yếu trong nhiều lĩnh vực, từ logistics đến bán lẻ, mang lại lợi ích lớn cho doanh nghiệp.
Công nghệ nhận diện tần số (RFID) đã được phát triển trong phòng thí nghiệm và gần đây đã được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm thương mại Để tối ưu hóa khoảng cách và khả năng nhận tín hiệu, hệ thống RFID cần phải đảm bảo chi phí chế tạo thấp, vì các thiết bị này thường được sử dụng để theo dõi và kiểm soát sản phẩm, cũng như nghiên cứu tập tính của các loài động vật.
Trong vài thập kỷ qua, nhiều nghiên cứu về cung cấp năng lượng không dây đã được thực hiện, bao gồm cảm ứng năng lượng ngắn, truyền năng lượng mật độ cao ở tần số sóng cực ngắn, và các thẻ RFID năng lượng thấp Trong quá trình truyền năng lượng sóng cực ngắn, các anten có phân cực xác định và hiệu suất chuyển đổi cao trên một dải tần số nhất định Ứng dụng của chuyển đổi năng lượng này bao gồm việc truyền năng lượng từ vệ tinh năng lượng mặt trời đến các trạm tín hiệu mặt đất và truyền năng lượng liên vệ tinh.
Khảo sát các nguồn năng lượng vô tuyến khả thi cho việc thu thập năng lượng 10 1 Nguồn năng lượng từ WiFi
Hình 1.7 Mật độ các loại năng lượng RF được khảo sát tại London [4]
Việc lựa chọn công suất đầu vào của sóng điện từ trong môi trường là rất quan trọng trong thiết kế rectenna, vì nó ảnh hưởng đến cấu trúc và hiệu năng của thiết bị Do đó, cần khảo sát nguồn năng lượng điện từ trong môi trường xung quanh, bao gồm tần số và mật độ công suất Để khảo sát nguồn năng lượng hiệu quả, chúng ta cần
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 11, đã xác định mức độ năng lượng của các dải tần số RF trong môi trường thông qua phép đo mật độ phổ Barroca đã trình bày các khảo sát đo lường phổ trong dải tần 300-3000 MHz tại khu vực thành thị và ngoại thành của Covilhã, thuộc tỉnh Castelo Branco, Bồ Đào Nha Manuel Piủuela và các cộng sự đã thực hiện khảo sát đo lường quang phổ RF bên ngoài 270 trạm ngầm tại London nhằm tối ưu hóa việc thu hoạch năng lượng RF từ môi trường Ngoài ra, Kawahara cũng đã nghiên cứu và đo mật độ năng lượng tín hiệu RF cho các băng tần của đài phát thanh.
Tại 16 địa điểm xung quanh trung tâm Tokyo, Nhật Bản, nghiên cứu về sóng điện từ đã được thực hiện với sự kết hợp của TV, di động và đài FM Thí nghiệm đo và khảo sát năng lượng sóng điện từ diễn ra tại Đại học Quốc gia Singapore trong dải tần 80 – 5850 MHz Những kết quả đo này sẽ cung cấp cái nhìn toàn diện hơn về nguồn năng lượng điện từ trong môi trường sống hiện nay.
1.3.1 Nguồn năng lượng từ WiFi
WiFi là công nghệ mạng không dây cho phép kết nối các thiết bị như máy tính, laptop và điện thoại thông minh với Internet, dựa trên chuẩn IEEE 802.11 cho mạng cục bộ không dây (WLAN) Hoạt động ở tần số 2.4 GHz và 5 GHz, WiFi được thiết kế để tối ưu hóa khoảng cách phủ sóng lên đến 100 mét Tại những khu vực đông dân cư hoặc công cộng, thường có các điểm hotspot để truy cập Internet WiFi miễn phí, phổ biến tại quán cà phê, nhà hàng, khách sạn và sân bay Bảng 1.2 dưới đây trình bày một số nghiên cứu về thu hoạch năng lượng từ WiFi.
Bảng 1.2 Một vài nghiên cứu về chuyển đổi năng lượng từ nguồn WiFi
Tác giả, năm Nguồn WiFi Mô tả hệ thống chuyển đổi năng lượng Ứng dụng
Hệ thống gồm một anten vi dải và mạch chỉnh lưu chế tạo trên vật liệu FR4
Hệ thống đạt hiệu suất chuyển đổi 54% với năng lượng đầu vào 0 dBm tại tần số 2.45 GHz, và điện áp đầu ra của hệ thống là 732 mV.
Cung cấp năng lượng cho các thiết bị năng lượng thấp
Hệ thống đạt hiệu suất chuyển đổi 72.4% với mức năng lượng đầu vào -20.5 dBm, phù hợp cho các ứng dụng cảm biến không dây tiêu thụ năng lượng thấp.
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 12 áp đầu ra là 1.7 V tại tần số 2.45 GHz
[9] Router WiFi Được gọi là thu năng lượng PoWoFi, có hiệu suất chuyển đổi trên nhiều kênh WiFi 2.4 GHz Độ nhạy -17.8 dBm @ 2.4 V tại băng thông 100 MHz &
Nguồn năng lượng 19.3 dBm @ 2.4/3 V được sử dụng để cung cấp cho camera và cảm biến nhiệt độ LMT84 Bộ sạc pin được thiết kế để quản lý hai pin AAA 750 mAh dòng thấp và pin NiMH ở mức 2.4V.
Máy phát không dây trên điện thoại thông minh
Hệ thống thu hoạch có độ nhạy là -16.5 dBm, phạm vi hoạt động là 11.5 cm từ bộ phát WiFi 2 dBm trên điện thoại thông minh và
Với khoảng cách 92 cm từ điểm truy cập WiFi 20 dBm và anten 3dBi, thiết bị này được sử dụng để cung cấp năng lượng cho cảm biến nhiệt độ và ANT SoC radio Nghiên cứu sử dụng tín hiệu WiFi chuẩn 802.11 nhằm tối ưu hóa hiệu suất kết nối.
Hệ thống đa anten này có khả năng thu hoạch năng lượng từ ba kênh WiFi cho mỗi anten Được xây dựng từ vật liệu FR4, hệ thống cung cấp điện áp tối đa 2V và đạt hiệu suất lên đến 18.6.
% Ứng dụng cho truyền thông không dây năng lượng thấp
Bộ thiết bị bao gồm nhiều anten vi dải, bộ cộng năng lượng và mạch chỉnh lưu Greinacher, với hiệu suất đỉnh đạt tới 57.8% khi có mức công suất đầu vào từ 6-8 dBm.
Trong thực tế với các nguồn tín hiệu liên tục -10 dBm, hệ thống có thể sạc một siêu tụ 33 mF lên 1.6
Cung cấp năng lượng cho tụ và các cảm biến không dây
Hình 1.8 Mật độ và công suất của các router wifi thu được xung quanh khu chợ Phùng
1.3.2 Nguồn từ các trạm di động/GSM
Trong 20 năm qua, sự phát triển vượt bậc của các thiết bị thông tin liên lạc, đặc biệt là điện thoại di động thông minh, đã diễn ra mạnh mẽ Hiện nay, trên toàn thế giới có hơn 7.3 tỷ thuê bao di động được đăng ký, dẫn đến nhu cầu mở rộng mạng lưới và gia tăng số lượng trạm gốc Điện thoại di động và các trạm gốc hoạt động như một hệ thống radio hai chiều, sử dụng tần số RF để giao tiếp Trong hệ thống liên lạc toàn cầu cho thiết bị di động (GSM), băng tần 900 MHz là tần số hoạt động chính được sử dụng.
Băng tần 900 MHz và 1800 MHz (GSM 1800) được sử dụng phổ biến trong việc quét năng lượng RF Tần số 900 MHz cho phép truyền tải công suất RF hiệu quả hơn, giảm thiểu tổn thất khi truyền trong khoảng cách dài so với các băng tần cao hơn như 3G và WiFi Vì lý do này, bên cạnh nguồn năng lượng từ WiFi, các nguồn năng lượng từ GSM cũng đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực chuyển đổi năng lượng.
Bảng 1.3 Một vài nghiên cứu về chuyển đổi năng lượng từ trạm gốc/GSM
Tác giả, năm Nguồn Mô tả hệ thống chuyển đổi Ứng dụng
Hệ thống anten thu năng lượng cộng hưởng hoạt động tại tần số 900 MHz và 1800 MHz, với hiệu suất chuyển đổi đạt 80% cho GSM 1800 và 87% cho GSM 900 Thiết kế này thích hợp cho các thiết bị sử dụng nguồn năng lượng thấp.
Hệ thống đạt hiệu suất chuyển đổi 68.4% với mức năng lượng đầu vào -21.3 dBm và điện áp đầu ra 1.67 V tại tần số 900 MHz, phù hợp cho các cảm biến không dây năng lượng thấp.
Hệ thống bao gồm một anten cộng hưởng hoạt động trên hai băng tần 900 MHz và 1800 MHz, kết hợp với một mạch chỉnh lưu Với mức công suất đầu vào là -20 dBm, hệ thống đạt hiệu suất chuyển đổi lần lượt là 20% cho GSM 900 và 40% cho GSM 1800.
1800 Hệ thống có điện áp đầu ra là 183-415 mV
Sử dụng cho các thiết bị điện năng lượng thấp
Thách thức và tính khả thi của chuyển đổi năng lượng từ sóng vô tuyến 16 1.5 Kết luận chương 1
Dựa trên các khảo sát, việc phục hồi năng lượng từ sóng điện từ trong môi trường sống để cung cấp cho các thiết bị cảm biến năng lượng thấp là khả thi và là một hướng nghiên cứu tiềm năng Tuy nhiên, do công suất sóng điện từ trong môi trường thường thấp, việc thu thập năng lượng để hệ thống chuyển đổi hoạt động hiệu quả và có kích thước nhỏ gọn để tích hợp vào các thiết bị không dây là một thách thức lớn Mặc dù vậy, việc tái sử dụng nguồn năng lượng có sẵn mà không phụ thuộc vào tự nhiên khiến năng lượng từ sóng vô tuyến trở thành xu hướng nghiên cứu nổi bật trên toàn cầu.
Chương 1 đã trình bày tổng quan về các nguồn năng lượng có khả năng phục hồi có sẵn trong môi trường sống Với sự phát triển ngày càng nhanh của công nghệ không dây thì nguồn năng lượng sóng điện từ có trong môi trường cũng ngày càng phổ biến Ngoài ra chương 1 cũng trình bày định nghĩa về truyền năng lượng không dây cùng các mốc lịch sử quan trọng của nó và tìm hiểu, khảo sát các nguồn năng lượng vô tuyến hiện có trên thế giới Từ đó đưa ra các thách thức và tính khả thi của việc chuyển đổi năng lượng
RF để làm tiền đề cho việc nghiên cứu
MẠCH THU NĂNG LƯỢNG QUA SÓNG VÔ TUYẾN (RECTENNA) CHO CÁC THIẾT BỊ CẢM BIẾN KHÔNG DÂY NĂNG LƯỢNG THẤP
Lịch sử ra đời và phát triển của Rectenna
Hình 2.1 Hệ thống truyền năng lượng không dây ở Marshall Space Flight Center
Vào những năm 1960, W.C Brown đã khởi xướng nghiên cứu về công nghệ truyền năng lượng không dây, dựa trên thành tựu từ thời kỳ chiến tranh thế giới thứ II Ông là người đầu tiên phát triển khái niệm Rectenna và chế tạo thành công rectenna vào năm 1963, hoạt động trong dải tần 2-3 GHz với hiệu suất đầu ra 50% ở 4W và 40% ở 7W Năm 1964, ông đã trình diễn mô hình máy bay trực thăng có khả năng thu năng lượng từ chùm tia viba ở tần số 2.45 GHz Đến những năm 1970, ông tiếp tục nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong dải tần 2.45 GHz Cũng trong năm 1970, hệ thống truyền năng lượng không dây đầu tiên được giới thiệu tại trung tâm Marshall Space Flight, với hiệu suất DC-DC đạt 26.5% ở công suất 39W.
Raytheon Lab đã sử dụng ống magnetron để đạt hiệu suất 54% ở công suất 495W Đồng thời, vào năm 1975, W.C Brown và nhóm nghiên cứu của ông đã thành công trong việc triển khai hệ thống truyền năng lượng không dây lớn nhất tại Venus Site của JPL Goldstone Facility.
Hình 2.2 Hệ thống truyền năng lượng không dây sử dụng ống magnetron tại
Hình 2.3 Hệ thống truyền năng lượng không dây ở Venus Site của JPL Goldstone
Nhờ những nghiên cứu của W.C Brown, nền tảng cho công nghệ truyền năng lượng không dây và rectenna đã được hình thành Các nghiên cứu tiếp theo tập trung vào việc nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống, giảm giá thành và tối ưu kích thước, nhằm dễ dàng tích hợp vào các mạch điện tử.
Cấu trúc cơ bản của rectenna
Trong hệ thống chuyển đổi năng lượng sóng điện từ, mạch rectenna đóng vai trò quan trọng Rectenna, kết hợp từ "Rectifier" và "Antenna", mô tả công nghệ truyền năng lượng không dây Thiết bị này sử dụng anten để thu nhận năng lượng từ sóng điện từ trong không gian và chuyển đổi thành năng lượng điện một chiều (DC) thông qua mạch chỉnh lưu Dưới đây là mô hình cơ bản của hệ thống truyền năng lượng không dây bằng rectenna.
Hình 2.4 Mô hình truyền năng lượng không dây rectenna
Một mô hình rectenna cơ bản sẽ bao gồm
Anten thu có khả năng bức xạ và nhận tín hiệu sóng điện từ trong dải tần hoạt động một cách hiệu quả Tín hiệu phát ra từ anten là tín hiệu xoay chiều tần số cao (AC).
Mạch chỉnh lưu (Rectifier) chuyển đổi tín hiệu xoay chiều tần số cao từ anten thành năng lượng điện một chiều (DC), giúp cung cấp trực tiếp cho tải hoặc lưu trữ để sử dụng sau này.
Hai thông số quan trọng để đánh giá hoạt động của một rectenna là hiệu suất chuyển đổi 𝜂 𝑅𝐹−𝐷𝐶 của rectenna và hiệu suất chuyển đổi 𝜂 𝑟𝑒𝑐 của khối chuyển đổi AC-DC Những chỉ số này đóng vai trò quyết định trong việc tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống rectenna.
𝑃 𝑖𝑛𝑐 × 100% (2.1) Hiệu suất chuyển đổi của Rectifier
Nguồn năng lượng sử dụng trong thiết bị này là sóng điện từ có sẵn trong môi trường xung quanh Mặc dù công suất của nó rất thấp và không ổn định, nhưng vẫn có tiềm năng ứng dụng trong các công nghệ hiện đại.
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 20, nhấn mạnh rằng việc tối ưu hóa năng lượng RF là cần thiết để đạt hiệu suất tối đa tại công suất và tần số cụ thể Để thực hiện điều này, cần tối ưu hóa tất cả các thành phần của thiết kế và xác định mật độ công suất đến mạch Rectenna Hiệu suất thực tế phức tạp do đặc tính phi tuyến của diode, đặc biệt khi mạch sử dụng nhiều bộ chỉnh lưu Hiệu suất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như công suất tín hiệu, tần số hoạt động, mạch phối hợp trở kháng và các đặc điểm của diode chỉnh lưu, bao gồm điện áp đánh thủng và các thành phần ký sinh như tụ và cảm trong diode.
Cơ sở lý thuyết của anten
Hình 2.5 Quá trình truyền sóng của anten
Việc truyền năng lượng sóng điện từ có thể thực hiện qua hai phương pháp: sử dụng hệ dẫn và vô tuyến Hệ dẫn bao gồm các phương tiện như đường dây song hành, đường truyền đồng trục, ống dẫn sóng kim loại và điện môi, nơi sóng điện từ lan truyền thuộc loại sóng ràng buộc Ngược lại, trong truyền vô tuyến, sóng được phát đi dưới dạng sóng điện từ tự do Thiết bị phát sóng hoặc thu nhận sóng điện từ được gọi là anten, được định nghĩa là thiết bị chuyển đổi các trường điện từ trong không gian thành dòng điện xoay chiều (AC) hoặc ngược lại.
Anten D17CQVT08-B 21 của Cao Xuân Sơn được thiết kế để hoạt động trong một dải tần số nhất định, phục vụ cho các hệ thống khác nhau với những yêu cầu riêng biệt Đối với phát thanh và truyền hình, anten cần phát sóng đồng đều trong mặt phẳng ngang của mặt đất, đảm bảo các đài thu ở mọi hướng đều nhận được tín hiệu như nhau Trong khi đó, đối với thông tin mặt đất hoặc vũ trụ và thông tin chuyển tiếp vô tuyến điều khiển, anten phải có độ định hướng cao để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.
2.3.2 Phương trình truyền sóng
Sóng điện từ bao gồm hai thành phần chính: điện trường (ký hiệu E, đo bằng V/m) và từ trường (ký hiệu H, đo bằng A/m) Hai thành phần này có mối quan hệ chặt chẽ trong quá trình truyền sóng và được mô tả bởi hệ phương trình Maxwell.
Xét một sóng phẳng truyền lan trong môi trường điện môi đồng nhất và đẳng hướng với các tham số như hệ số điện môi 𝜀 và hệ số từ thẩm 𝜇, khi không có dòng điện và điện tích ngoài, hệ phương trình Maxwell mô tả mối quan hệ giữa điện trường và từ trường được thể hiện dưới dạng vi phân.
Nghiệm của hệ phương trình này cho ta dạng của các thành phần điện trường và từ trường là một hàm bất kỳ
Trong đó 𝐹 1 , 𝐹 2 , 𝐺 1 , 𝐺 2 là các hàm sóng tùy ý
√𝜀𝜇 (𝑚/𝑠) – là vận tốc pha của sóng
Từ (2.4a) và (2.4b) ta có : 𝐺 1 = 𝐹 1 /𝑍 và 𝐺 2 = 𝐹2/𝑍 với 𝑍 = √ 𝜇
𝜀 (Ω) là trở kháng sóng của môi trường
Nếu môi trường truyền sóng là chân không thì các tham số môi trường có giá trị
Do đó lúc này 𝑣 = 𝑐 – vận tốc ánh sáng và 𝑍 = 𝑍 0 = 120𝜋 (Ω)
Sóng điện từ thường biến đổi điều hòa theo thời gian, và đối với sóng điện từ phức tạp, có thể coi nó là tổng hợp của nhiều dao động điều hòa, cho phép áp dụng phép phân tích Fourier để biểu thị Khi giả thiết rằng chỉ có sóng thuận theo phương trục z mà không có sóng nghịch, các thành phần điện trường và từ trường sẽ được biểu thị một cách cụ thể.
𝑍 𝑐𝑜𝑠𝜔(𝑡 − 𝑘𝑧) Trong đó 𝑘 = 𝜔/𝑣 = 2𝜋/𝜆 – hệ số pha hoặc hằng số sóng
2.3.3 Một số loại anten hiện nay
Trong nhiều thập kỷ qua, đã có rất nhiều loại anten được thiết kế và phát minh Dưới đây là những dạng anten tiêu biểu, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông tiên tiến.
Anten dây là một phần quen thuộc trong cuộc sống, xuất hiện trên ô tô, tòa nhà, tàu thủy, máy bay và tàu vũ trụ Chúng có nhiều hình dạng khác nhau, bao gồm dây thẳng (lưỡng cực), vòng lặp, và dây xoắn Ngoài ra, anten dây còn có các dạng lặp khác như lặp tròn, lặp vuông và elip.
Hình 2.6 Một số hình dạng của anten dây (a) dipole, (b) tròn, (c) xoắn
Anten vi dải đã trở nên phổ biến từ những năm 1970, chủ yếu cho các ứng dụng trong không gian, và hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công cộng và thương mại Anten này bao gồm một miếng kim loại (vi dải) trên nền được nối đất, với nhiều hình dạng khác nhau, trong đó hình chữ nhật và hình tròn là phổ biến nhất do dễ phân tích và chế tạo Anten vi dải có cấu trúc gọn nhẹ, dễ dàng kết hợp với bề mặt phẳng và phức tạp, đồng thời có thể chế tạo đơn giản với giá thành rẻ nhờ công nghệ mạch in hiện đại, mang lại độ bền cao khi được gắn trên các bề mặt cứng, tương thích với thiết kế MMIC.
Anten Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 23, nổi bật với khả năng linh hoạt về tần số cộng hưởng, phân cực và trở kháng Những anten này có thể được lắp đặt trên nhiều phương tiện như máy bay, tàu vũ trụ, vệ tinh, tên lửa, ô tô và cả điện thoại di động.
Hình 2.7 Anten vi dải được chế tạo (a) chữ nhật, (b) tròn
Anten khẩu độ đang trở nên phổ biến hơn do nhu cầu tăng cao cho các loại anten phức tạp và tần số cao Loại anten này rất hữu ích cho các ứng dụng trong máy bay và phi thuyền, vì chúng có thể được gắn phẳng trên bề mặt của máy bay hoặc tàu vũ trụ Hơn nữa, anten có thể được phủ một lớp vật liệu điện môi để tăng cường khả năng bảo vệ trước các điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Hình 2.8 Anten khẩu độ (a) nón, (b) tứ diện
Nhiều ứng dụng yêu cầu các đặc tính bức xạ mà một phần tử đơn lẻ có thể không đạt được Tuy nhiên, một tập hợp các phần tử bức xạ được sắp xếp trong một bố trí điện và hình học (một mảng) có thể tạo ra các đặc tính bức xạ mong muốn Sự sắp xếp của mảng cho phép bức xạ từ các phần tử cộng lại, tạo ra bức xạ cực đại theo một hướng hoặc các hướng cụ thể, đồng thời giảm thiểu bức xạ theo các hướng khác hoặc theo nhiều cách đa dạng.
Hình 2.9 Một dạng anten mảng vi dải được chế tạo trong thực tế
Hình 2.10 Một anten phản xạ sử dụng cho băng tần X
Thành công trong việc khám phá vũ trụ đã thúc đẩy sự phát triển của lý thuyết anten, đặc biệt là trong việc truyền và nhận tín hiệu qua khoảng cách lớn Anten phản xạ là một dạng anten phổ biến cho ứng dụng này, với khả năng chế tạo đường kính lên tới 305 m, giúp đạt được độ tăng ích cao cần thiết cho việc phát hoặc nhận tín hiệu trên quãng đường dài Bên cạnh đó, anten phản xạ góc, mặc dù không phổ biến, cũng là một dạng khác đáng chú ý trong lĩnh vực này.
Thấu kính chủ yếu được sử dụng để điều chỉnh năng lượng phân kỳ, ngăn không cho nó lan truyền theo các hướng không mong muốn Bằng cách định hình đúng cấu hình hình học và chọn vật liệu phù hợp, thấu kính có thể biến đổi các dạng năng lượng phân kỳ thành sóng phẳng Chúng được áp dụng trong nhiều ứng dụng tương tự như phản xạ parabol, đặc biệt là ở tần số cao Anten thấu kính được phân loại dựa trên vật liệu cấu tạo hoặc hình dạng hình học, lý tưởng là có khả năng bức xạ toàn bộ công suất từ máy phát theo một hoặc nhiều hướng mong muốn Mặc dù không thể đạt được hiệu suất lý tưởng, nhưng có thể tiếp cận gần với nó.
2.3.4 Một số tham số cơ bản của anten
Để khảo sát đặc tính của dòng, không gian khảo sát thường được chia thành hai khu vực chính: trường gần và trường xa.
Hình 2.11 Trường gần và trường xa khi phân tích một anten
Trường gần (near field) là khu vực không gian xung quanh hệ thống dòng, với bán kính 𝑟 nhỏ hơn nhiều so với bước sóng (𝑟 ≪ 𝜆) Trong vùng này, hệ số pha của trường được xác định rõ ràng.
Cơ sở lý thuyết khối mạch chỉnh lưu trong mạch thu năng lượng
Hình 2.12 Cấu trúc mạch chỉnh lưu RF-DC
Trong một mạch rectenna cơ bản, năng lượng sóng điện từ được thu từ anten và chuyển đến khối mạch chỉnh lưu, nơi tín hiệu xoay chiều được chuyển đổi thành tín hiệu một chiều để cung cấp cho tải Để giảm thiểu suy hao công suất, cần sử dụng mạch phối hợp trở kháng giữa mạch chỉnh lưu và thiết bị anten Nhiều mạch rectenna còn tích hợp thêm mạch lọc tín hiệu cao tần và mạch lọc DC, với mạch lọc cao tần giúp loại bỏ các tần số không mong muốn, trong khi mạch lọc DC loại bỏ sóng hài bậc cao và làm phẳng tín hiệu Việc sử dụng các mạch lọc này có thể tăng hiệu suất chuyển đổi của hệ thống, nhưng cũng làm tăng kích thước và độ phức tạp trong thiết kế và chế tạo mạch.
2.4.1 Mạch chỉnh lưu AC-DC
Mạch chỉnh lưu AC-DC sử dụng diode có nhiều cấu trúc khác nhau, bao gồm bốn loại chính: chỉnh lưu nửa sóng, chỉnh lưu toàn sóng, chỉnh lưu nhân đôi điện áp và mạch chỉnh lưu nhiều tầng Các loại mạch này đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, phục vụ cho nhiều ứng dụng điện tử khác nhau.
Mạch chỉnh lưu nửa sóng sử dụng một diode nối tiếp với tải tiêu thụ Trong chu kỳ dương, diode được phân cực thuận, cho phép dòng điện đi qua và cung cấp năng lượng cho tải Ngược lại, trong chu kỳ âm, diode bị phân cực ngược, ngăn chặn dòng điện Do chỉ có một nửa chu kỳ được chỉnh lưu, hiệu suất truyền công suất của mạch chỉnh lưu nửa sóng rất thấp.
Hình 2.13 Dạng điện áp đầu vào và đầu ra của mạch chỉnh lưu nửa sóng
Hình 2.14 Mạch chỉnh lưu nửa sóng RF
Mạch chỉnh lưu toàn sóng cho phép biến đổi cả hai thành phần cực tính của dạng sóng đầu vào thành dạng một chiều, mang lại hiệu suất cao hơn so với mạch chỉnh lưu nửa sóng Tuy nhiên, nếu trong mạch điện không có điểm giữa của biến áp, mạch sẽ cần sử dụng 4 diode Điều này có nghĩa là đầu cực của điện áp ra sẽ cần đến 2 diode để chỉnh lưu Trong chu kỳ dương, dòng điện sẽ đi qua diode D1 rồi đến
Trong chu kỳ âm, điện áp trên cuộn thứ cấp đảo chiều, khiến dòng điện đi qua diode D2, rồi đến tải R và tiếp tục qua diode D3 về đầu dây âm Như vậy, cả hai chu kỳ đều có dòng điện chạy qua tải, được minh họa trong hình 2.15.
Hình 2.15 Mạch chỉnh lưu toàn sóng
Mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp là mạch chuyển đổi từ các mạch lọc với tụ điện, có khả năng cung cấp nguồn điện áp gấp 1 hoặc 2 lần điện áp cực đại so với nguồn điện xoay chiều đầu vào Có hai loại mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp: nhân đôi điện áp nửa sóng và toàn sóng Trong mạch nhân đôi điện áp nửa sóng, trong nửa chu kỳ dương của tín hiệu AC, điện áp đi vào diode D1 và bị chặn bởi diode D2 do trạng thái phân cực ngược của nó, dẫn đến tụ C1 được sạc lên giá trị cực đại Ở nửa chu kỳ âm, điện áp đổi chiều, diode D2 hoạt động ở trạng thái phân cực thuận, cho phép dòng điện nạp vào tụ C2 Theo định luật Kirchhoff, ta có công thức cho điện áp của tụ C2 là 𝑉𝐶2 = 2𝑉𝑠𝑚𝑎𝑥 Quá trình này lặp lại, với diode D2 ở trạng thái phân cực ngược, cho phép tụ C2 phóng điện qua tải trong khi tụ C1 được nạp lại qua diode D1.
Hình 2.16 Mạch nhân điện áp nửa sóng
Mạch nhân áp toàn sóng được trình bày trong hình 2.17 Trong nửa chu kỳ dương, diode D1 hoạt động ở trạng thái phân cực thuận, cho phép điện nạp vào tụ C1 đạt giá trị tối đa 𝑉 𝑠𝑚𝑎𝑥, trong khi diode D2 ở chế độ phân cực ngược, ngăn cản dòng điện Ngược lại, trong nửa chu kỳ âm, diode D2 chuyển sang chế độ phân cực thuận, nạp điện cho tụ C2, còn diode D1 hoạt động ở trạng thái phân cực ngược.
Hình 2.17 Mạch nhân điện áp toàn sóng
Trong thực tế, điện áp đầu ra của mạch nhân đôi điện áp không đạt hai lần điện áp đầu vào, mà được xác định theo công thức 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 2(𝑉𝑝𝑘 − 𝑉𝑜𝑛), trong đó 𝑉𝑝𝑘 là điện áp đỉnh đầu vào và 𝑉𝑜𝑛 là điện áp cần thiết để bật diode.
Mạch chỉnh lưu nhiều tầng là giải pháp hiệu quả để cung cấp điện áp cần thiết, vượt qua hạn chế của mạch nhân đôi điện áp Bằng cách sử dụng nhiều mạch nhân áp, mạch chỉnh lưu nhiều tầng có khả năng tạo ra điện áp DC đầu ra cao hơn Điện áp đầu ra của mạch chỉnh lưu nhiều tầng có thể được tính toán dựa trên cấu trúc và số lượng mạch nhân áp được sử dụng.
Với N là số tầng của mạch chỉnh lưu nhiều tầng, sơ đồ mạch chỉnh lưu nhân áp nhiều tầng được thể hiện trong hình dưới đây.
Hình 2.18 Mạch chỉnh lưu nhân áp N tầng
Mạch lọc DC là một phần quan trọng trong mạch chỉnh lưu, giúp làm sạch tín hiệu điện áp đầu ra cho tải trở thuần Nó không chỉ có tác dụng lọc mà còn chặn sóng hài bậc cao, đưa sóng này quay lại mạch chỉnh lưu, từ đó nâng cao điện áp đầu ra và cải thiện hiệu suất chuyển đổi công suất.
Mạch lọc DC là loại mạch lọc thông thấp, có chức năng giữ lại các thành phần tín hiệu tần số thấp và chặn các thành phần tín hiệu tần số cao Phương pháp đơn giản nhất để tạo ra mạch lọc này là sử dụng một tụ điện, trong khi phương pháp phức tạp hơn là sử dụng các mạch lọc từ các phần tử vi dải Mạch lọc dùng tụ điện có ưu điểm về kích thước so với mạch lọc vi dải, nhưng lại dễ bị tổn hao khi hàn linh kiện Một số cấu trúc mạch lọc vi dải phổ biến bao gồm việc sử dụng hai dải quạt đối xứng, các dải quạt xếp theo thứ tự giảm dần và các open stub.
Hình 2.19 Một số cấu trúc mạch lọc vi dải cơ bản
2.4.3 Mạch phối hợp trở kháng
Một trong những yêu cầu quan trọng của mạch chuyển đổi sóng điện từ là truyền tối đa công suất nhận được từ anten đến mạch chỉnh lưu Trở kháng của mạch chỉnh lưu sẽ thay đổi theo công suất vào và tần số hoạt động, ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch Mạch phối hợp trở kháng là thành phần quan trọng trong mạch chỉnh lưu, giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi tại một tần số nhất định Nếu phối hợp trở kháng không tốt, năng lượng sẽ phản xạ, tạo sóng dừng trên đường truyền, làm giảm điện áp đầu ra và hiệu suất chuyển đổi công suất Việc chọn lựa cấu hình và giá trị hợp lý cho mạch phối hợp trở kháng là cần thiết để đạt hiệu quả tối ưu.
Mạch phối hợp trở kháng có thể được xây dựng từ các phần tử điện cảm, tụ điện hoặc các đường truyền vi dải Ở tần số thấp, các mạch thường sử dụng điện cảm và tụ điện theo kiểu chữ L hoặc kiểu 𝜋 Mạch phối hợp trở kháng dựa trên đường truyền vi dải có thể được nối tiếp hoặc rẽ nhánh, giúp giảm tổn hao từ các mối hàn của linh kiện tụ điện và cuộn cảm Tuy nhiên, kích thước toàn bộ mạch sẽ tăng lên do kích thước lớn của các linh kiện này.
Ứng dụng mạch thu năng lượng qua sóng vô tuyến
Mạch thu năng lượng qua sóng vô tuyến đang trở thành giải pháp tối ưu cung cấp năng lượng an toàn và không giới hạn cho các thiết bị điện tử hiện đại Hệ thống này có tiềm năng ứng dụng cao trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe, bao gồm các thiết bị cảm biến không dây và công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến (RFID).
Trong hệ thống y tế, việc theo dõi bệnh mãn tính đòi hỏi sử dụng các cảm biến y sinh có thể đeo trên người để liên tục giám sát các tín hiệu sinh lý Tuy nhiên, các thiết bị này thường không phổ biến vì cần thay pin hoặc nạp năng lượng sau một thời gian sử dụng, dẫn đến gián đoạn trong quá trình theo dõi bệnh nhân Điều này gây khó khăn cho việc khám chữa bệnh và ảnh hưởng đến tiến trình điều trị.
Công nghệ thu năng lượng từ sóng vô tuyến đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng các thiết bị cảm biến trên người bệnh, giúp giám sát và chăm sóc sức khỏe hàng ngày Với sự hiện diện liên tục của các mạng truyền thông không dây như GSM, WiFi, UMTS, và GPS, năng lượng sóng vô tuyến có thể được thu thập để cung cấp năng lượng cho các thiết bị y tế Năng lượng này được sử dụng để nuôi dưỡng máy tạo nhịp tim và các thiết bị kích thích thần kinh qua da (TENS) Trong môi trường bệnh viện, nơi có sẵn nhiều nguồn năng lượng vô tuyến, các thiết bị y sinh có thể nạp hoặc lưu trữ năng lượng liên tục mà không cần dừng hoạt động, đảm bảo hiệu quả trong việc chăm sóc bệnh nhân.
Hình 2.20 Máy kích thích thần kinh bằng xung điện qua da
2.5.2 Trong hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến RFID
Hình 2.21 Cấu trúc hệ thống RFID
Hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất, nông nghiệp, giao thông, chuỗi cung ứng và chăm sóc y tế Công nghệ RFID cho phép theo dõi và xác định các đối tượng một cách hiệu quả, nâng cao khả năng quản lý và tối ưu hóa quy trình trong các ngành nghề khác nhau.
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 35, sử dụng các thẻ (tag) hoặc nhãn gắn trên thiết bị Bộ thu phát vô tuyến hai chiều, hay còn gọi là bộ đọc gửi tín hiệu RF, cho phép đọc và quản lý thông tin từ các thẻ hoặc nhãn này.
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại thẻ RFID, bao gồm thẻ chủ động và thụ động Thẻ chủ động có pin và thường xuyên phát tín hiệu RF chứa ID của chúng, trong khi thẻ thụ động sử dụng năng lượng RF từ bộ đọc để hoạt động Các thẻ chủ động có pin nhỏ, được kích hoạt khi phát hiện bộ đọc RFID gần đó Để thẻ hoạt động hiệu quả, năng lượng RF truyền từ bộ đọc cần có công suất lớn hơn một mức nhất định.
Công suất truyền tín hiệu lên tới 1000 lần có thể gây ra nhiễu giữa các trường bức xạ Trong khi đó, các thẻ thu động không pin hỗ trợ có kích thước nhỏ hơn và giá thành rẻ hơn do không cần tích hợp pin vào bo mạch.
Hình 2.22 Các loại thẻ RFID hiện nay
2.5.3 Trong mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (WSN) là hệ thống bao gồm các thiết bị có bộ vi xử lý, cho phép giám sát và giao tiếp không dây Mỗi thiết bị trong mạng này đều có bộ nhớ cố định và tạm thời, do đó cần nguồn năng lượng để hoạt động hiệu quả.
Trong những năm gần đây, nhiều dự án và nghiên cứu về mạng cảm biến không dây đã được công bố Ứng dụng của mạng cảm biến không dây rất đa dạng, bao gồm việc theo dõi các điều kiện môi trường, rung động, nhiệt độ và âm thanh.
Cao Xuân Sơn, D17CQVT08-B 36, đã phát triển các cảm biến áp suất và truyền dữ liệu qua mạng không dây Các cảm biến hiện đại, đặc biệt là cảm biến hai chiều, không chỉ giám sát mà còn cho phép điều khiển Sự phát triển của công nghệ đã đưa các mạng cảm biến không dây vào ứng dụng quân sự, đặc biệt trong giám sát chiến trường Để đảm bảo chức năng giám sát liên tục, mạch thu hoạch năng lượng vô tuyến trở thành giải pháp cung cấp năng lượng ổn định cho các nút cảm biến mạng.
Các nút cảm biến không dây có trên thị trường
Theo thời gian, mức tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến ngày càng giảm, chỉ còn khoảng vài trăm μW đến vài mW Dưới đây là bảng tổng hợp một số nút cảm biến thương mại có công suất tiêu thụ thấp.
Bảng 2.1 Tổng hợp công suất tiêu thụ của các nút cảm biến thương mại
Công suất ở chế độ ngủ 15 μW 390 μW 2.8 𝜇𝑊 342 μW 1.5 μW
Năng lượng khối xử lý 8 mA 31-53 mA - - -
Khối nhận tin Rx 19.7 mA 44 mA 34 mA 26.7 mA 24 mW
Khối truyền tin Tx 17 mA 44 mA 34 mA 26.9 mA 38 mW Điện áp cung cấp 2.7 V 3.2 V 2.7 V 2 V 1.8 V
Công suất trung bình 2.8 mW 12 mW 3 mW - 3 mW
Hình 2.23 Nút cảm biến EZ4300-RF2500
Hình 2.24 Nút cảm biến Crossbow MICAz
Việc phục hồi năng lượng từ sóng điện từ có sẵn trong môi trường sống để nuôi các nút cảm biến là khả thi và đáng nghiên cứu Tuy nhiên, do công suất sóng điện từ trong môi trường còn thấp, nên việc ứng dụng các mạch phục hồi năng lượng sẽ phù hợp hơn khi tích hợp vào các nút cảm biến công suất thấp, giúp chúng tự chủ về năng lượng.
Kết luận chương 2
Chương này trình bày lịch sử hình thành và phát triển của Rectenna, cùng với cấu trúc cơ bản của hệ thống chuyển đổi năng lượng RF Ngoài ra, chương hai còn khám phá các nút cảm biến không dây hiện có trên thị trường, từ đó cho thấy sự phát triển và xu hướng nghiên cứu về hệ thống chuyển đổi năng lượng, đặc biệt là mạch rectenna, đang rất tiềm năng.