PCB-Neuigkeiten - Aspekte der drahtlosen HF-Stromversorgung

Seit vielen Jahren sprechen die Menschen über die Funktion der drahtlosen Fernstromversorgung und sind mehr und mehr interessiert. Die Technologie wurde verifiziert und wurde in vielen Branchen wie Fertigung, Gebäudeautomation und Hotels angewendet. Es gibt eine Vielzahl weiterer drahtloser Ladetechnologien für kurze Entfernungen auf dem Markt, darunter Qi (induktive Kopplung) und Magnetresonanz. Der Fokus dieses Artikels liegt jedoch auf den verschiedenen Methoden von PCB-hochfrequenzbasierten drahtlosen Netzteilen zur Stromversorgung von Geräten über große Entfernungen.

Drahtlose Fernstromversorgung

Funkenergie ist eine Technologie, die Funkwellen für die Übertragung von Energie über große Entfernungen nutzt. Der Sender verwendet eine Antenne, um ein Hochfrequenzfeld zu erzeugen und sich auf die Antenne des Empfängers auszubreiten. Der Empfänger erfasst einen Teil des HF-Feldes und verwendet einen HF-zu-DC-Wandler, um nutzbare Gleichspannung zu erzeugen, um elektronische Geräte mit Strom zu versorgen oder Batterien aufzuladen. Die drahtlose HF-Stromversorgung kann auf viele Arten implementiert werden, und viele Designentscheidungen beeinflussen die Systemleistung. Wenn alle Variablen berücksichtigt werden, bieten drahtlose HF-Stromnetze eine Möglichkeit, Kabel und Batterien von vielen Geräten zu entfernen, denen wir täglich begegnen.

Die drahtlose Kraftübertragung mittels Hochfrequenz im Fernfeld kann durch Friis Gleichung beschrieben werden.

Wo PR die empfangene Leistung ist, ist PT die Sendeleistung, GT (θT, Ï­T) ist die winkelabhängige Sendeantenverstärkung, GR (θR, Ï­R) ist der winkelabhängige Empfangsantennengewinn, Î" ist die Wellenlänge, r ist die Sendeantenne und die Empfangsantenne Der Abstand zwischen θT ist der Reflexionskoeffizient der Sendeantenne, ΓR ist der Reflexionskoeffizient der Empfangsantenne, p̂T ist der Polarisationsvektor der Sendeantenne und p̂R ist der Polarisationsvektor der Empfangsantenne. Im Allgemeinen wird die Gleichung vereinfacht, wenn angenommen wird, dass Sender und Empfänger übereinstimmen, denselben Polarisationsvektor haben und sich im Hauptstrahl befinden:

Diese Gleichung zeigt, dass die empfangene Leistung umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ist, was bedeutet, dass wenn der Abstand verdoppelt wird, die empfangene Leistung um das 4-fache reduziert wird. Wenn man bedenkt, dass sich die Kraft auf der Oberfläche einer Kugel mit einer Fläche von A=4πr2 ausbreitet, ist dies verständlich.

Ein weiterer Faktor der drahtlosen Funkübertragung ist, dass die empfangene Leistung proportional zum Quadrat Î" oder umgekehrt proportional zum Quadrat der Frequenz ist. Dies bedeutet, dass niederfrequente Signale mehr empfangene Leistung liefern als hochfrequente Signale, vorausgesetzt, alle anderen Variablen sind gleich. Betrachten Sie zum Beispiel einen Verstärker, der eine Sendeantenne mit einer Verstärkung von 4- oder 4-W-EIRP-Leistung von 1-W-HF-Leistung versorgt. Eine 915 MHz Dipolantenne in einer bestimmten Entfernung erhält ungefähr 7-mal mehr Leistung als eine 2,4 GHz Dipolantenne.

Verglichen mit der Frequenz von 5.8GHz ist die Leistung etwa 40-mal.

Dieser Leistungsunterschied liegt daran, dass mit zunehmender Frequenz die effektive Fläche der Antenne abnimmt. Die Dipolantenne ist in der Regel Î"/2 lang. Mit zunehmender Frequenz wird der physikalische Erfassungsbereich der Antenne kleiner. Die Leistungsdichte S ist jedoch unabhängig von der Frequenz.

Gleichung 3 zeigt, dass die Ausbreitung der Strahlungsleistung auf der kugelförmigen Oberfläche unabhängig von der Frequenz ist. Die effektive Fläche der Antenne, auch als Erfassungsbereich bekannt, bestimmt die Größe der empfangenen Leistung. Dies erklärt, warum die 5,8GHz Î"/2 Dipolantenne unter den gleichen Bedingungen weniger Energie als die 915MHz Î"/2 Antenne aufnimmt.

Die effektive Fläche Ae der Antenne ist proportional zu ihrer Verstärkung.

Eine Antenne mit höherem Gain kann verwendet werden, um den Erfassungsbereich zu vergrößern, aber eine Antenne mit höherem Gain geht auf Kosten der Direktivität. Je nach Anwendung ist eine präzise Antennenrichtung nicht immer vorteilhaft. Eine Möglichkeit, diese potenzielle Belastung zu umgehen, besteht darin, mehrere Antennen und HF-DC-Wandler zu verwenden, um den gesamten Erfassungsbereich zu vergrößern. Diese Lösung erhöht aber auch die Kosten des Empfängers aufgrund der zusätzlichen Hardware. Dies erklärt, warum es wichtig ist, Leistung und Projekterwartungen grob zu bestimmen, bevor ein System entworfen wird.

Die Friisgleichung ist nur im Fernfeld gültig, daher ist es wichtig, die Grenze zwischen Nahfeld und Fernfeld zu bestimmen. Eine übliche Methode besteht darin, zu bestimmen, wo die Parallelstrahlannäherung zu versagen beginnt, d.h. die von der Sendeantenne emittierte Welle kann als ebene Welle approximiert werden, die auf die Empfangsantenne fällt. Eine ebene Welle bedeutet, dass die Empfangsantenne eine konstante Amplitude und Phase an ihrer Blende sieht (Abbildung 1). Im Allgemeinen gilt ein Phasenfehler von π/8 oder 22,5 Grad an der Empfangsöffnung als akzeptable Näherung einer ebenen Welle, die eine gemeinsame Grenze zwischen Nahfeld und Fernfeld schafft:

Ist D die maximale Größe der Sende- oder Empfangsantenne oder des Arrays, so ist r der Abstand zwischen Sende- und Empfangsantenne und Î" die Wellenlänge.

Abbildung 1 Die kugelförmige Welle nähert sich der Fernfeldgrenze einer ebenen Welle an.

Abbildung 2 Weitfeldfokussierung.

Abbildung 3 Nahfeld-Fokussierung.

Strahlfokus, Power Hot Spot Größe

In einigen Anwendungen ist es vorteilhaft, das HF-Feld auf die Empfangsantenne zu fokussieren, um den Leistungsdurchsatz zu maximieren. Dies kann auf verschiedene Arten erreicht werden, in der Regel durch Fernfeldfokussierung (Abbildung 2) oder Nahfeldfokussierung (Abbildung 3) der HF-Leistung, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Die Fernfeldtechnologie wird normalerweise Beamforming oder Beam Steering genannt, was erreicht wird, indem eine High-Gain-Antenne verwendet wird oder ein Antennenarray verwendet wird, um auf Unendlichkeit zu fokussieren, um einen gerichteten Strahl zu erzeugen. Die Richtung des Strahls wird gesteuert, indem das Signal mechanisch oder elektronisch zur Empfangsantenne geleitet wird. Im Falle der Nahfeldfokussierung fokussiert das Antennenarray normalerweise jedes Antennenelement auf einen endlichen Punkt im Nahfeld, um einen Hotspot mit Hochfrequenzleistungsdichte zu erzeugen, und das nachfolgende Feld jeder Antenne divergiert im Fernfeld außerhalb des Hotspots.

Für Fernfeld-Beamforming ist es wichtig, die Grenzen der "Fokussierung" von HF-Energie zu verstehen. Die Strahlgröße und der Fokusbereich sind immer größer als die physikalische Größe der Sendeantenne. Wenn die Strahlen jedes Antennenelements auf den unendlichen Punkt im Fernfeld fokussiert werden, sind die Strahlen parallel, wie in Abbildung 2 gezeigt. Die von jeder Antenneneinheit ausgestrahlten Strahlen verbreiten sich jedoch mit Abstand gemäß den Fernfeldbreitenangaben im handelsüblichen Antennendatenblatt. Die Öffnung des schmalen Strahls beginnt bei der kleinsten Größe der Antenne und breitet sich bei der Ausbreitung aus. Daher, wenn die sendende Anordnung 1 Quadratmeter ist, wird der Strahl nie kleiner als 1 Quadratmeter sein, was sehr wichtig ist, wenn HF-Leistung an eine Empfangsantenne gesendet wird, die kleiner als die sendende Antenne ist. Obwohl Beamforming tatsächlich mehr Hochfrequenzleistung auf die Empfangsantenne konzentrieren kann, kann ein großer Teil des Formstrahls außerhalb des gewünschten Erfassungsbereichs liegen.

Im Falle der Nahfeldfokussierung konvergieren die von jeder Antenne ausgestrahlten Strahlen an einem bestimmten Punkt im Nahfeld zu einem lokalen Hot Spot mit hoher Hochfrequenz-PWB-Leistungsdichte, wie in Abbildung 3 gezeigt. Die Größe -3dB (halbe Leistung) des Hot Spots kann so klein sein wie etwas kleiner als Î"/2. Je nach Größe der Empfangsantenne kann die Größe des Hotspots mit der Größe der Empfangsantenne vergleichbar sein. Wenn die Größen der beiden ähnlich sind, kann eine effektivere Kopplung zwischen Sender und Empfänger erreicht werden. Aufgrund der engen Kopplung dieses Schemas sollte jedoch das System als Ganzes simuliert und entworfen werden, das heißt, die Sendeantenne und die Empfangsantenne. Da die Antennen sehr nah sind, ändert sich ihre Impedanz, und die Amplitude und Phase des Feldes, das durch die Öffnung der Empfangsantenne fließt, sind wahrscheinlich ungleichmäßig. Obwohl das Design der Fernfeldantenne eine konsistente Amplitude und Phase in ihrem Erfassungsbereich aufweist (d. h. es wird angenommen, dass es sich um eine ebene Welle handelt), sind typische Antennendesignpraktiken möglicherweise nicht für den Nahfeldbetrieb geeignet, daher ist die Systemsimulation wichtig, um drahtlose Nahfeldantenversorgungslösungen zu optimieren. Leistung ist entscheidend.

Sowohl Fernfeld- als auch Nahfeld-Fokussierung können einen höheren Funkstrom-Durchsatz bieten. Dies bringt jedoch Komplexität mit sich, was die Kosten in der Regel erhöht. Strahlfokussierungslösungen können mechanische oder elektronische Führung umfassen, wie Motoren oder Amplituden- und Phasenanpassungskreisläufe. Dieser Kostenanstieg macht es schwierig, drahtlose Vorteile nachzuweisen. Da Sender mit einer einzigen Antenne und einem Verstärker viel kleiner und kostengünstiger sind als Strahlfokussierungslösungen, ist diese Methode für Anwendungen mit hohem Volumen praktikabler.

Baustoffe

Da die Funkleistung der Hochfrequenz durch verschiedene dielektrische Materialien übertragen wird, kann die Antenne in das Produkt eingebettet werden, da keine Sichtlinie zwischen Sender und Empfänger erforderlich ist. Das bedeutet auch, dass drahtlos betriebene Sensoren dauerhaft in Baustoffe eingebettet und hinter Wänden platziert werden können. Typische Baumaterialien für Innenräume (wie Gipskarton) sind "RF-freundlich", wie wir es aus der Popularität von WLAN kennen.

In Anbetracht des Einflusses von Wänden auf die drahtlose Hochfrequenz-Kraftübertragung, gibt es mehrere Eigenschaften, die die Kraftübertragung beeinflussen. Alle dielektrischen Materialien haben dielektrische Konstante (dh, relative dielektrische Konstante) und Verlusttangente. Im Allgemeinen ist ein dielektrisches Material durch seinen Verlust gekennzeichnet oder wie es das durch ihn ausbreitende Hochfrequenzsignal abschwächt. Dieser Verlust hängt mit der Verlusttangente des Materials zusammen. Bei Materialien wie Gipskarton kann die Verlusttangente recht niedrig sein, während bei Mauerwerkstoffen wie Ziegeln und Beton die Verlusttangente größer ist. Da die dielektrische Konstante des Materials größer ist als die dielektrische Konstante der Raumluft, schafft dieser Unterschied eine Schnittstelle zwischen den Medien, Die reflektierte Kraft und der Reflexionswinkel hängen von der Polarisation der Welle in Bezug auf die einfallende Oberfläche ab und werden durch die Fresnel-Gleichung beschrieben. Zur Einfachheit nimmt die folgende Gleichung ein verlustfreies, nicht-magnetisches Medium an. Unter ihnen ist RS der Leistungsreflexionskoeffizient der vertikalen Polarisation, RP ist der Leistungsreflexionskoeffizient der Parallelpolarisation, θi ist der Winkel der einfallenden Welle, θt ist der Winkel der gebrochenen Welle, und ε1 und ε2 sind die dielektrischen Konstanten der beiden Medien. Diese Gleichungen zeigen die reflektierte und übertragene Leistung an der Schnittstelle (Abbildung 4). Wenn der Einfallswinkel kleiner als 60° ist, kann 80% oder mehr der Funkleistung an die Wand übertragen werden. Interessanterweise kann im Fall der parallelen Polarisation 100% der Funkleistung der Hochfrequenz unter Brewsters Winkel an die Wand übertragen werden. Da die Leiterplatte nicht verlustfrei ist und zwei Schnittstellen erstellt werden: Der Raum tritt in die Gipskartonplatte und die Gipskartonplatte in die Luft dahinter, hilft die Ansys HFSS Simulation zu visualisieren, wie die Gipskartonplatte die Ausbreitung beeinflusst. Das Schema besteht aus 12,8 mm dickem Gipskarton, εr=2,19, tanδ=0,0111, und eine 915MHz Sendedipolantenne befindet sich 0,5 Meter von der Wand entfernt. Die Amplitude des elektrischen Feldes (E-Feld) einer 4*2 m vertikalen Polarisationsebene wird dargestellt. Um den Vergleich zu erleichtern, löschen Sie die Wand und wiederholen Sie die Simulation. Die Simulation ohne Wände zeigt eine glatte, gleichmäßige E-Feldschleife. In Abbildung 5a zeigt der Teil des Rings, in dem der Einfallswinkel nahe Null liegt (d.h. direkt vom Dipol runter), Ergebnisse ähnlich wie das Beispiel ohne Wände, da der Einfallswinkel klein ist und die Gipskartonplatte wenig reflektiert. Bei steileren Winkeln – ganz rechts und links vom Dipol – ist das reflektierte E-Feld höher, was zu mehr Verzerrungen führt. Die reflektierte Welle erzeugt konstruktive und destruktive Interferenzen zum Haupt-E-Feld vom Dipol. Betrachtet man diese beiden Bilder, da die dielektrische Konstante der Gipskartonplatte relativ niedrig ist, gibt es sehr wenig HF-Reflexion, so dass die beiden Simulationen ähnliche E-Felder haben. Die Simulation bestätigte, dass die Funknetzversorgung ohne Sichtweite realisiert werden kann. Selbst wenn eine Wand verwendet wird, um die Sende- und Empfangsantennen zu trennen, kann auch Strom übertragen werden, relativ unbeeinflusst von Hindernissen.In der Schlussfolgerung Die Funk-Funk-Stromversorgung kann in vielerlei Hinsicht realisiert werden. Aufgrund der Komplexität jeder Umgebung können verschiedene Systemparameter an die Bedürfnisse der einzelnen Anwendungen angepasst werden. Im Allgemeinen haben Niederfrequenzsignale einen höheren Hochfrequenzleistungsdurchsatz. Die Größe des empfangenden Produkts bestimmt normalerweise die maximale Antennengröße, die die niedrigste Frequenz für die Kraftübertragung bestimmt. Obwohl elektrisch kleine Antennen verwendet werden können, ist die Bandbreite dieser Antennen sehr schmal, was sie für die Massenproduktion ungeeignet macht, da Fertigungstoleranzen Änderungen der Resonanzfrequenz verursachen können. Die Integration mehrerer Antennen in ein Array mit Hilfselektronik verdoppelt jedoch die Bereitstellungskosten, so dass ein Sender mit einer einzigen Antenne und einem Verstärker für Anwendungen mit hohem Volumen vorteilhafter sein kann. Standardbaustoffe für Innenräume haben wenig Einfluss auf das HF-Feld, so dass drahtlose Mehrraum-HF-Stromversorgungssysteme möglich sind. In Anbetracht der Designoptionen kann das drahtlose PCB-Hochfrequenz-Stromversorgungssystem entworfen werden, um die unterschiedlichen Bedürfnisse vieler Anwendungen in vielen vertikalen Märkten zu erfüllen. Funkenergie ist keine Zukunftstechnologie, sondern eine Technologie, die derzeit eingesetzt wird, die in naher Zukunft schnell erweitert und in großem Maßstab übernommen werden wird.