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
thơng 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
;
Liên hệ: *

suất tới 455 µW/m2. Tuy nhiên các mật độ cơng suất sóng tới
trong [4-5] lớn hơn rất nhiều so với mật độ sóng viễn thơng
tồn tại trong môi trường thực tế. Thiết kế mạch thu hoạch đa
băng tần [6] cho hiệu suất gần 40% cho các băng tần LTE
700, GSM 850 và ISM 900 tại công suất sóng tới -10 dBm.
Mạch chỉnh lưu xử lý sóng hài bậc cao trong [7] giúp nâng
cao hiệu suất lên 11% so với khi không áp dụng kỹ thuật này.
Các giải pháp này ngồi mục tiêu tối đa hóa năng lượng thu
hoạch được cịn đơn giản hóa thiết kế đề xuất để có thể tích
hợp vào các mạch cảm biến khơng dây tự chủ năng lượng. Dù
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
phịng thí nghiệm với cơng suất tới cao (từ 0 dBm tới 14 dBm)
[8-9] và không phù hợp với thực tế là cơng suất tới của các
nguồn sóng viễn thơng chỉ vào khoảng từ -10 dBm tới -30
dBm. Ngoài ra, do công suất tới thấp, việc lựa chọn tải tối ưu
sao cho điện áp ra từ mạch chỉnh lưu lớn nhưng dòng ra nhỏ
là nguyên nhân khiến cho thời gian sạc pin lâu. Từ các phân
tích nói trên có thể thấy rằng thách thức chính là việc nâng
cao hiệu suất chuyển đổi của mạch thu hoạch năng lượng với

cơng suất tín hiệu tới thấp tương ứng với điều kiện hoạt động
thực tế.
Trong bài báo này, chúng tơi sẽ trình bày một thiết kế
mạch thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thơng có trong mơi
trường sống với cơng suất tới -10dBm. Mạch đề xuất sử dụng
công nghệ mạch vi dải và được chế tạo, đo kiểm trong phịng
thí nghiệm cho kết quả thu hoạch năng lượng lên tới 39% từ
nguồn sóng viễn thông 5G trong thực tế.

Lời dẫn– Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một mạch
thu hoạch năng lượng từ sóng viễn thơng trong mơi
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 thơng cơng nghệ 5G trong điều kiện thử
nghiệm ở phòng nghiên cứu cho hiệu suất chuyển đổi RFDC cao nhất đạt 50% khi cơng suất sóng tới là 0 dBm và
39% tại -10 dBm. Hiệu suất chuyển đổi được nâng cao
nhờ giải pháp không sử dụng mạch phối hợp trở kháng
nối giữa mạch chỉnh lưu và ăng-ten, nhờ đó kích thước
của mạch cũng được giảm.
Từ khóa – Thu hoạch năng lượng từ sóng điện từ, ăng-ten,
5G, cảm biến khơng dây tự chủ năng lượng.
I. GIỚI THIỆU CHUNG
Ý tưởng về hệ thống truyền năng lượng không dây đã
được Nikolas Tesla đề xuất trong các phát minh sáng chế từ
những năm 1900. Tuy nhiên cho tới mười năm trở lại đây,
cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, công nghệ vi
cơ điện tử và truyền thông không dây mà hướng nghiên cứu
về thu hoạch năng lượng từ sóng điện từ (RF energy
harvesting) mới trở nên hấp dẫn với các nhà nghiên cứu, các
kết quả bước đầu mở ra tương lai về một giải pháp cung cấp

năng lượng sạch và nguồn cung cấp năng lượng lâu dài cho
các thiết bị điện tử tiêu thụ công suất thấp cỡ vài mW [1-2]
như các nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây, thay
thế cho phương án cấp nguồn truyền thống sử dụng pin vốn
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
tương tự như khối mạch thu trong hệ thống truyền năng lượng
không dây, bao gồm một ăng-ten thu và một mạch chỉnh lưu
để chuyển đổi nguồn năng lượng từ RF sang năng lượng một
chiều (DC). Nhưng điểm khác biệt là hệ thống thu hoạch năng
lượng từ sóng điện từ khai thác năng lượng từ các nguồn sóng
điện từ có mặt trong mơi trường sống như sóng viễn thơng
(2G/3G/4G/5G) hoặc sóng Wi-Fi chứ khơng sử dụng một bộ
phát nguồn khơng dây. Cấu trúc này giúp giảm chi phí thiết
kế hệ thống thu hoặch năng lượng, nhưng gặp khó khăn là
mật độ sóng điện từ từ nguồn sóng viễn thông trong môi
trường sống rất thấp, nơi cao nhất chỉ đạt khoảng từ -10 dBm
tới -20 dBm, vì vậy nguồn năng lượng thu hoạch được không
cao và yêu cầu độ nhạy của mạch lớn. Giải pháp nâng cao
năng lượng thu hoạch được từ nguồn sóng điện từ có sẵn trong
mơi trường là đề tài thu hút nhiều công ty, viện nghiên cứu
trên toàn thế giới. Một số giải pháp đã được đề xuất như việc
ghép mảng nhiều ăng-ten thu [4], hiệu suất đạt được 44.1%
với mật độ công suất tới là 0.041 W/m2. Thiết kế ăng-ten với
búp sóng rộng ở [5] đạt được hiệu suất 40% với mật độ công

ISBN: 978-604-80-5076-4

II. THIẾT KẾ MẠCH THU HOẠCH NĂNG LƯỢNG
Mạch thu hoạch năng lượng từ sóng điện từ, thường gọi

là rectenna có cấu tạo gồm hai phần tử chính là ăng-ten thu
và mạch chỉnh lưu (xem Hình 1). Ăng-ten giúp chuyển đổi
năng lượng sóng điện từ trong mơi trường thành điện áp xoay
chiều tần số cao. Năng lượng thu được này sẽ được chuyển
tới mạch chỉnh lưu và lọc nhằm biến đổi chúng thành điện áp
một chiều phù hợp cho việc lưu trữ và cấp nguồn cho các thiết
bị điện tử công suất thấp như các mạch cảm biến không dây
công nghệ Bluetooth.
Với mạch thu hoạch năng lượng, nguồn sóng viễn thơng
trong mơi trường có hướng sóng tới khơng biết trước được do
sự tán xạ, phản xạ của sóng từ các trạm thu phát gốc trong quá
trình lan truyền Vì vậy, ăng-ten thu đặt mục tiêu có độ rộng
búp sóng lớn và hiệu suất bức xạ cao. trong thiết kế này chúng
tôi đề xuất dùng ăng-ten lưỡng cực vi dải làm ăng-ten thu.
Thiết kế mạch chỉnh lưu được chúng tôi đề xuất là mạch chỉnh
lưu tồn sóng nhân đơi điện áp có khả năng hoạt động với

19


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020)
hiệu suất chuyển đổi cao trong điều kiện mật độ năng lượng
tới thấp của nguồn sóng viễn thơng trong mơi trường.

a) Hệ số phản xạ S11

Hình 1. Cấu trúc mạch thu hoạch năng lượng từ sóng
viễn thơng cho cảm biến khơng dây tự chủ năng lượng
A. Thiết kế ăng-ten thu
Ăng-ten thu là ăng-ten lưỡng cực vi dải tích hợp balun

hình chữ J, hoạt động ở dải tần số dành cho thiết bị đầu cuối
công nghệ 5G, từ 3.6 GHz tới 3.8 GHz. Tương tự như ăngten lưỡng cực truyền thống, các tham số chính của ăng-ten
lưỡng cực vi dải (hình 2a) bao gồm: chiều dài L của mỗi cánh
tay tỷ lệ với tần số cộng hưởng của ăng-ten (L=15 mm). Chiều
rộng W của mỗi cánh tay là W=2.6 mm. Khe g giữa 2 cánh
tay ảnh hưởng đến trở kháng vào của phần bức xạ của ăngten (g=1.4 mm). Ăng-ten lưỡng cực có cấu trúc đối xứng, nếu
được cấp nguồn bằng đường truyền vi dải hoặc cáp đồng trục
là các cấu trúc bất đối xứng, sẽ gây nên hiện tượng mất cân
bằng tín hiệu kích thích tại hai đầu vào của ăng-ten lưỡng cực
và do đó gây ra một dịng điện rị ở bên ngồi của cáp đồng
trục. Balun vi dải hình chữ J có chiều dài 15 mm như trong
Hình 2b được sử dụng để khắc phục vấn đề này.

b) Đồ thị bức xạ
Hình 3. Hệ số phản xạ S11 và đồ thị bức xạ của ăng-ten
lưỡng cực vi dải
B. Thiết kế mạch chỉnh lưu
Mạch chỉnh lưu cho ứng dụng thu hoạch năng lượng có
nhiều cấu trúc như mạch nhân điện áp Cockcroft–Walton,
Dickson, … cùng với phần tử bán dẫn sử dụng là diode hoặc
transistor [10]. Với ngưỡng công suất tới thấp của sóng viễn
thơng trong mơi trường từ -10 dBm tới -20 dBm, việc sử dụng
mạch nhân đôi điện áp là phương án tối ưu về công suất tiêu
thụ [3][12]. Phần tử bán dẫn sử dụng cho mạch chỉnh lưu
trong thiết kế đề xuất là diode Schottky SMS7630 có điện áp
rơi thấp, tần số đóng cắt nhanh cùng hiệu suất chuyển đổi tốt
với trường hợp công suất tới thấp [11]. Điện áp thu được sau
khi qua mạch chỉnh lưu vẫn còn tồn tại một số thành phần
sóng hài do tính phi tuyến của diode nên cần có mạch lọc
thơng thấp hình dải quạt giúp loại bỏ các hài này và làm phẳng

điện áp.
Để năng lượng từ ăng-ten thu được truyền tối đa tới
mạch chỉnh lưu thì cần phải có sự phối hợp trở kháng giữa hai
khối này. Thông thường, việc phối hợp trở kháng này được
thực hiện bằng cách sử dụng mạch phối hợp trở kháng nối
giữa mạch chỉnh lưu và ăng-ten thu. Tuy nhiên sử dụng thêm
khối mạch phối hợp trở kháng này sẽ làm tăng kích thước của
mạch đồng thời hao phí năng lượng trên mạch là nguyên nhân
giảm hiệu suất chuyển đổi RF-DC. Vì vậy, trong bài báo này
mạch phối hợp trở kháng sẽ được bỏ đi, ăng-ten thu sẽ được
thiết kế sao cho phối hợp trở kháng với chính mạch chỉnh lưu.
Tải tối ưu được lựa chọn trong thiết kế này là 4.2 kOhm.

b) Mặt sau
a) Mặt trước
Hình 2. Antenna dipole vi dải 3.75GHz đã chế tạo
Hệ số phản xạ và đồ thị bức xạ của ăng-ten được trình
bày trong hình 3 với băng thơng tại điểm S11≤-15 dB là 210
MHz; hệ số phản xạ đạt -39 dB tại tần số trung tâm 3.75 GHz
và hệ số phản xạ nhỏ nhất là -43 dB tại tần số 3.74 GHz. Độ
tăng ích của ăng-ten tại tần số 3.75 GHz là 4.57 dBi với hiệu
suất bức xạ đạt 97.32% và hiệu suất tổng bằng 96.63%:

ISBN: 978-604-80-5076-4

20


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)


Hình 7. Cấu hình thử nghiệm mạch RF-DC trong điều
kiện phịng thí nghiệm
Hiệu suất chuyển đổi của mạch được tính bằng tỉ số năng
lượng thu được trên tải so với năng lượng sóng tới anten. Kết
quả mô phỏng và đo đạc hiệu suất chuyển đổi của mạch RFDC cho thấy mạch có thể hoạt động với hiệu suất trung bình
đạt được trên 30% trong dải cơng suất sóng tới thấp -15 dBm
tới -5 dBm, tại 0dBm thì mạch cho hiệu suất chuyển đổi tối
đa đo được đạt 50%.

Hình 4. Cấu trúc mạch chỉnh lưu RF-DC
Mạch chỉnh lưu đề xuất được chế tạo trên chất nền
Duroid 5880 có độ dày 0.8mm và có hình dáng như Hình 5:

Hình 5. Mạch chỉnh lưu đã chế tạo

Hình 8. Đồ thị hiệu suất chuyển đổi RF-DC theo công
suất tới
Bảng 1 so sánh kết quả thực nghiệm của mạch thu hoạch
năng lượng đề xuất so với các nghiên cứu liên quan:
Hình 6. Đồ thị hệ số phản xạ S11 của mạch chỉnh lưu:
chế tạo và mô phỏng

Các
công
bố

Công
suất tới
(dBm)


Kết quả đo hệ số phản xạ S11 của mạch chỉnh lưu có
cộng hưởng tốt ở tần số mong muốn cho thấy khả năng hấp
thụ tốt lượng năng lượng từ sóng điện từ thu được bởi ăngten thu.

[12]

-10

[13]

-5

[14]

0

[15]

-10

Nghiên
cứu
này

-10

III. THỬ NGHIỆM MẠCH RF-DC
Trong phần thử nghiệm, do băng tần 3.75 GHz công
nghệ 5G chưa được phát trên trạm thu phát gốc trong thực tế
nên chúng tôi tiến hành thử nghiệm đánh giá mạch RF-DC

như sau: sử dụng nguồn phát sóng bằng mạch tổng hợp tần số
ADF4351 với một ăng-ten vi dải phát 3.75 GHz. Chúng tôi
thực hiện việc thu hoạch năng lượng tại các vị trí có cơng suất
tới nằm trong khoảng từ -15 dBm cho tới 0 dBm. Điện áp một
chiều trên tải được đo bằng vơn kế như Hình 7:

ISBN: 978-604-80-5076-4

Loại
diode sử
dụng
HSMS
2850
HSMS
7630
SMS
7630
SMS
7630

Hiệu suất chuyển
đổi RF-DC
(%)
35% @ 2.14
GHz
20% @ 2.45
GHz
34% @ 2.15
GHz


Tải
tối ưu
(kΩ)

15% @ 3.6 GHz

1

SMS
7630

39% @ 3.75
GHz

4.2

5.6
12
14.7

Từ bảng trên nhận thấy rằng tại cùng công suất tới thấp
là -10 dBm, mạch đề xuất có hiệu suất chuyển đổi đo được
cao hơn so với các công bố [12-15], tuy nhiên công bố [15]

21


Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2020)
có tải thấp hơn so với mạch đề suất tới bốn lần với hiệu suất
chuyển đổi là 15%. Việc hiệu suất chuyển đổi cao khi sóng

tới thấp và tải tối ưu thấp vẫn là một thách thức chung cho các
nghiên cứu về mạch thu hoạch năng lượng.

[11] S. Hemour et al., ‘Towards Low-Power HighEfficiency RF and Microwave Energy Harvesting’,
IEEE Trans. Microwave Theory Techn., vol. 62, no. 4,
pp. 965–976, Apr. 2014.
[12] N. Tung, “Multi-band ambient RF energy harvesting
rectifier for autonomous Wireless Sensor networks,” in
2016 IEEE Region 10 Conference (TENCON),
Singapore, 2016.
[13] P. Gajanan, B. Arora, T. Goel, and A. Patnaik, ‘A Dualband Microwave Energy Harvesting Rectenna System
for WiFi Sources’, in 2019 IEEE Indian Conference on
Antennas and Propogation (InCAP), Ahmedabad,
India, Dec. 2019.
[14] D. Masotti, A. Costanzo, M. Del Prete, and V. Rizzoli,
“Genetic-based design of a tetra-band high-efficiency
radio-frequency energy harvesting system,” IET
Microw. Antennas Propag., vol. 7, no. 15, pp. 1254–
1263, Dec. 2013.
[15] K. T. Chandrasekaran, K. Agarwal, Nasimuddin, A.
Alphones, R. Mittra, and M. F. Karim, ‘Compact DualBand Metamaterial-Based High-Efficiency Rectenna:
An Application for Ambient Electromagnetic Energy
Harvesting’, IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 62, no.
3, pp. 18–29, Jun. 2020.

IV. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi đã đề xuất một mạch thu
hoạch năng lượng từ sóng viễn thơng. Mạch đã được chế tạo
và đo kiểm với kết quả thực nghiệm cho thấy mạch đạt hiệu
suát chuyển đổi là 39% khi công suất tới là -10 dBm và là

50% khi công suất tới là 0 dBm. Mạch có khả năng cung cấp
năng lượng từ 9µW cho tới 0.04mW trong điều kiện cơng suất
sóng tới trong dải từ -15dBm cho tới -10dBm, công suất thu
hoạch được này đủ để cung cấp năng lượng trực tiếp cho các
mạch cảm biến khơng dây có công suất thấp ở chế độ ngủ.
Việc ghép thêm mạch thu hoạch với mạch lưu trữ năng lượng
hứa hẹn một giải pháp tự chủ năng lượng cho các mạch cảm
biến không dây hiện đại.

TÀI LIỆU THAM CHIẾU
[1]

Texas
Instruments,
‘CC2650
SimpleLinkTM
Multistandard Wireless MCU’. Feb. 2015.
[2] Nordic Semiconductor, ‘nRF52811 Datasheet’. Feb.
2019.
[3] D.-K. Ho, I. Kharrat, V.-D. Ngo, T.-P. Vuong, Q.-C.
Nguyen, and M.-T. Le, ‘Dual-band rectenna for
ambient RF energy harvesting at GSM 900 MHz and
1800 MHz’, in 2016 IEEE International Conference on
Sustainable Energy Technologies (ICSET), Hanoi,
Vietnam, Nov. 2016, pp. 306–310.
[4] T. Matsunaga, E. Nishiyama, and I. Toyoda, ‘5.8-GHz
Stacked Differential Rectenna Suitable for Large-Scale
Rectenna Arrays With DC Connection’, IEEE Trans.
Antennas Propag., vol. 63, no. 12, pp. 5944–5949, Dec.
2015.

[5] H. Sun, Y. Guo, M. He, and Z. Zhong, ‘A Dual-Band
Rectenna Using Broadband Yagi Antenna Array for
Ambient RF Power Harvesting’, IEEE Antennas Wirel.
Propag. Lett., vol. 12, pp. 918–921, 2013.
[6] U. Muncuk, K. Alemdar, J. D. Sarode, and K. R.
Chowdhury, ‘Multiband Ambient RF Energy
Harvesting Circuit Design for Enabling Batteryless
Sensors and IoT’, IEEE Internet Things J., vol. 5, no.
4, pp. 2700–2714.
[7] S. Ladan and K. Wu, ‘Nonlinear Modeling and
Harmonic Recycling of Millimeter-Wave Rectifier
Circuit’, IEEE Trans. Microwave Theory Techn., vol.
63, no. 3, pp. 937–944, Mar. 2015.
[8] P. Wu et al., “Compact high-efficiency broadband
rectifier with multistage-transmission-line matching,”
IEEE Trans. Circuits Syst. II, Exp. Briefs, vol. 66, no.
8, pp. 1316–1320, Aug. 2019
[9] H. Sakaki and K. Nishikawa, “Broadband rectifier
design based on quality factor of input matching
circuit,” in Proc. Asia–Pacific Microw. Conf., Sendai,
Japan, Nov. 2014, pp. 1205–1207.
[10] L.-G. Tran, H.-K. Cha, and W.-T. Park, ‘RF power
harvesting: a review on designing methodologies and
applications’, Micro and Nano Syst Lett, vol. 5, no. 1,
p. 14, Dec. 2017.

ISBN: 978-604-80-5076-4

22