Noticias de PCB - Fuente de alimentación inalámbrica RF

A lo largo de los años, La gente ha estado hablando de la función de la energía inalámbrica de larga distancia, Cada vez más interesado. La tecnología ha sido probada y aplicada en muchas industrias, como la fabricación., Automatización de edificios, Hotels. Hay muchas otras tecnologías de carga inalámbrica de corto alcance en el mercado, including Qi (inductive coupling) and magnetic resonance. Sin embargo,, El énfasis de este artículo será PCB RFEquipo de alimentación a distancia basado en fuentes de alimentación inalámbricas.

Fuente de alimentación inalámbrica remota

La fuente de alimentación de radiofrecuencia es una tecnología que utiliza ondas de radio para transmitir energía a larga distancia. El transmisor utiliza una antena para generar un campo de radiofrecuencia y propagarlo a la antena del receptor. El receptor captura parte del campo de radiofrecuencia y utiliza un convertidor RF - DC para generar corriente directa utilizable para alimentar dispositivos electrónicos o cargar baterías. La fuente de alimentación inalámbrica RF se puede implementar de muchas maneras, y muchas decisiones de diseño afectarán el rendimiento del sistema. Teniendo en cuenta todas las variables, la red de energía inalámbrica RF proporciona una manera de eliminar cables y baterías de muchos de los dispositivos que encontramos todos los días.

La transmisión de energía inalámbrica de radiofrecuencia de campo lejano puede ser descrita por la ecuación de Fries.

Donde PR es la Potencia receptora, PT es la Potencia transmisora, GT (insular T, 1 t) es la ganancia de la antena transmisora dependiente del ángulo, GR (ߪr,; r) es la ganancia de la antena receptora dependiente del ángulo, » es la longitud de onda, R es la distancia entre la antena transmisora y la antena receptora, t es el coeficiente de reflexión de la antena transmisora, Insul R es el coeficiente de reflexión de la antena receptora, p| t es el vector de polarización de la antena transmisora y p R es el vector de polarización de la antena receptora. En general, supongamos que el transmisor y el receptor coinciden, tienen el mismo vector de polarización, y en el haz de radiación principal, la ecuación se reduce a:

La ecuación muestra que la Potencia recibida es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, lo que significa que si la distancia se duplica, la Potencia recibida se reduce cuatro veces. Esto es comprensible dado que la Potencia se propaga a través de la superficie de una esfera con un área de a = 4 1 R 2..

Otro factor en la transmisión de energía inalámbrica RF es que la Potencia recibida es proporcional o inversa al cuadrado de frecuencia. Esto significa que, suponiendo que todas las demás variables sean idénticas, la señal de baja frecuencia proporcionará más potencia de recepción que la señal de alta frecuencia. Por ejemplo, considere un amplificador que proporciona 1 W de potencia RF a una antena transmisora con una ganancia de 4 o 4 W EIRP. A una distancia dada, la antena dipolo 915 MHz recibe aproximadamente siete veces la Potencia de un dipolo de 2,4 GHz.

La Potencia es aproximadamente 40 veces mayor que la frecuencia de 5,8 GHz.

Esta diferencia de potencia se debe a que el área efectiva de la antena disminuye con el aumento de la frecuencia. La antena dipolar es generalmente 1 / 2 de largo. Con el aumento de la frecuencia, el área de adquisición física de la antena se hace más pequeña. Sin embargo, la densidad de Potencia s es independiente de la frecuencia.

La ecuación 3 muestra que la propagación de la Potencia de radiación en la esfera es independiente de la frecuencia. El área efectiva de la antena, también conocida como área de captura, determina la Potencia recibida. Esto explica por qué, en las mismas condiciones, la antena dipolo insular / 2 de 5,8 GHz captura menos energía que la antena 915 mhz_ » / 2.

El área efectiva AE de la antena es proporcional a su ganancia.

La antena de alta ganancia se puede utilizar para aumentar el área de captura, pero la antena de alta ganancia se puede utilizar a expensas de la direccionalidad. Según la aplicación, la directividad exacta de la antena no siempre es ventajosa. Una manera de evitar esta carga potencial es utilizar múltiples antenas y convertidores RF - DC para aumentar el área total de captura. Sin embargo, esta solución también aumenta el costo del receptor debido al hardware adicional. Esto explica por qué es importante determinar aproximadamente el rendimiento y las expectativas del proyecto antes de diseñar el sistema.

La ecuación de Fries sólo es válida en el campo lejano, por lo que es muy importante determinar el límite entre el campo cercano y el campo lejano. El método común es determinar la posición en la que los rayos paralelos comienzan a fallar aproximadamente, es decir, la onda emitida por la antena transmisora puede ser aproximadamente la Onda plana incidente en la antena receptora. Una Onda plana significa que la antena receptora ve una amplitud y fase constantes en su abertura (figura 1). En general, un error de fase de 1 / 8 o 22,5 grados en la abertura receptora se considera una aproximación aceptable de la Onda plana, que crea un límite común entre el campo cercano y el campo lejano:

Donde D es el tamaño máximo de la antena o matriz transmisora o receptora, R es la distancia entre la antena transmisora y la antena receptora, y la isla es la longitud de onda.

La figura 1 muestra que la onda esférica es similar al límite de campo lejano de la Onda plana.

Fig. 2 enfoque de campo lejano.

Fig. 3 enfoque de campo cercano.

Foco de haz, tamaño del punto caliente de potencia

En algunas aplicaciones, es ventajoso enfocar el campo RF en la antena receptora para maximizar el rendimiento de potencia. Esto se puede lograr de varias maneras, por lo general mediante el enfoque de campo lejano de la Potencia de radiofrecuencia (figura 2) o el enfoque de campo cercano (figura 3) para mejorar la densidad de potencia. Las técnicas de campo lejano se denominan generalmente beamforming o beamforming, que se logra mediante el uso de antenas de alta ganancia o el uso de conjuntos de antenas de enfoque infinito para generar vigas direccionales. La dirección del haz es controlada por la dirección mecánica o electrónica de la señal a la antena receptora. En el caso del enfoque de campo cercano, la matriz de antenas generalmente enfoca cada elemento de antena en un punto finito en el campo cercano para producir un punto caliente de densidad de potencia de radiofrecuencia, y el campo posterior de cada antena se dispersa fuera del punto caliente.

Para la formación de haz de campo lejano, es importante entender las limitaciones de la energía RF "enfocada". El tamaño del haz y el área de enfoque siempre serán mayores que el tamaño físico de la antena transmisora. Enfocar los rayos de cada elemento de antena en el punto infinito del campo lejano significa que los rayos son paralelos, como se muestra en la figura 2. Sin embargo, de acuerdo con la especificación de ancho de haz del campo lejano en la hoja de datos de la antena comercial, los rayos emitidos por cada elemento de antena se propagarán a lo largo de la distancia. La abertura del haz estrecho comienza con el tamaño mínimo de la antena y se extiende a medida que se propaga. Por lo tanto, si la matriz de transmisión es de 1 metro cuadrado, el haz nunca será inferior a 1 metro cuadrado. Esto es importante cuando la Potencia de RF se transmite a una antena receptora que es menor que la antena de transmisión. Aunque beamforming puede concentrar más energía RF en la antena receptora, una gran parte del beamforming puede estar fuera de la región de captura deseada.

En el caso del enfoque de campo cercano, Los rayos emitidos por cada antena convergen en algún punto del campo cercano para formar un punto caliente local con una alta tasa de radio. Densidad de potencia de frecuencia de PCB, Como se muestra en la figura 3. The -3dB (half power) size of Este hot spot can be as small as slightly less than λ/2. Dependiendo del tamaño de la antena receptora, El tamaño del punto caliente es comparable al tamaño de la antena receptora. Si las dimensiones son similares, Acoplamiento más eficiente entre transmisor y receptor. Sin embargo,, Debido al acoplamiento estrecho del esquema, El sistema debe ser simulado y diseñado como un todo, Eso es, Antenas transmisoras y receptoras. Porque la antena está muy cerca, Su impedancia cambiará, Además, la amplitud y la fase del campo a través de la abertura de la antena receptora pueden no ser uniformes.. Although the design of the far-field antenna has a consistent amplitude and phase in its capture area (that is, it is assumed to be a plane wave), Las prácticas típicas de diseño de antenas pueden no ser adecuadas para operaciones de campo cercano, Por lo tanto, la simulación del sistema es muy importante para optimizar la solución de la fuente de energía inalámbrica de campo cercano.. El rendimiento es esencial.

Tanto el enfoque de campo lejano como el enfoque de campo cercano pueden proporcionar un mayor rendimiento de potencia RF. Sin embargo, el logro de este objetivo entraña complejidad y a menudo costos adicionales. Las soluciones de enfoque de haz pueden incluir orientación mecánica o electrónica, como motores o circuitos de ajuste de amplitud y fase. El aumento de los costos hace difícil demostrar los beneficios de la radio. Debido a que el transmisor con una sola antena y amplificador es mucho más pequeño y más barato que la solución de enfoque de haz, este método es más factible en aplicaciones de gran capacidad.

Materiales de construcción

Debido a que la fuente de alimentación inalámbrica RF se transmite a través de una variedad de materiales dieléctricos, la antena se puede incrustar en el interior del producto, ya que la línea de visión no es necesaria entre el transmisor y el receptor. Esto también significa que los sensores inalámbricos pueden incrustarse permanentemente en el material de construcción y colocarse detrás de la pared. Los materiales de construcción interiores típicos, como los paneles de yeso, son "amigables con la radiofrecuencia", como hemos aprendido de la popularidad de Wi - Fi.

Considerar la influencia de la pared en la transmisión de energía RF, Varias características afectan a la transmisión de energía. All dielectric materials have dielectric constant (ie, relative dielectric constant) and loss tangent. Normalmente, Los materiales dieléctricos se caracterizan por su pérdida o por la atenuación de las señales de radiofrecuencia transmitidas a través de ellos.. La pérdida está relacionada con la tangente de pérdida del material.. Para materiales como placas de yeso, La tangente del ángulo de pérdida puede ser muy baja, Para materiales de albañilería como ladrillos y hormigón, La tangente del ángulo de pérdida será mayor. Debido a que la constante dieléctrica del material es mayor que la del aire interior, Esta diferencia crea una interfaz entre los medios, Causa refracción y reflexión de ondas en la superficie del material.
La Potencia de reflexión y el ángulo de reflexión dependen de la polarización de la onda con respecto al plano incidente, que se describe por la ecuación de Fresnel.. Por simplicidad, La siguiente ecuación asume que no hay pérdida, Medio no magnético.
Entre ellas figuran:, Coeficiente de reflexión de potencia con RS como polarización vertical, Coeficiente de reflexión de potencia con RP como polarización paralela, I es el ángulo de la onda incidente, 1 t es el ángulo de la onda refractada, Y μ1 y μ2 son constantes dieléctricas de dos medios.
These equations show the reflected and transmitted power at the interface (Figure 4). Cuando el ángulo de incidencia sea inferior a 60 grados, 80% o más de la fuente de alimentación inalámbrica RF se puede transmitir a la pared. Lo interesante es que, En caso de polarización paralela, El 100% de la energía inalámbrica RF se puede transmitir a la pared en la esquina de Brewster.
Porque PCB Board No sin daños, se crean dos interfaces: la habitación entra en el tablero de yeso y el tablero de yeso entra en el aire trasero., El uso de la simulación ANSYS hfss ayuda a visualizar cómo las placas de yeso afectan la propagación. El programa consta de 12.Placa de Yeso de 8 mm de espesor, 1 μr = 2.19., Tan Island '= 0.0111, Una antena dipolar de transmisión de 915 MHz se encuentra en 0.5 metros de la pared. The amplitude of the electric field (E field) of a 4*2 m vertical polarization plane of incidence is plotted. Para facilitar la comparación, Eliminar la pared y repetir la simulación. Estos gráficos muestran la vista superior del avión accidentado.
Suavización de la pantalla analógica sin paredes, Circuito eléctrico uniforme. En la figura 5a, the part of the ring where the incident angle is close to zero (that is, directly down from the dipole) shows results similar to the example without walls, Debido al pequeño ángulo de incidencia, la placa de yeso tiene poca reflexión. El campo e reflejado es mayor en los ángulos más empinados de la derecha y la izquierda del dipolo., Crear más distorsión. La onda reflejada produce una interferencia constructiva y destructiva en el campo principal e del dipolo. Mira estas dos fotos., Debido a que la constante dieléctrica de la placa de Yeso es relativamente baja, Pocos reflejos de radiofrecuencia, Así que estas dos simulaciones tienen campos eléctricos similares. Los resultados de la simulación muestran que la fuente de alimentación inalámbrica RF puede ser implementada en el rango no visual.. Incluso si se utiliza una pared para separar la antena transmisora de la antena receptora, La electricidad también se puede transmitir, Relativamente libre de obstáculos.
in conclusion
The radio frequency wireless power supply can be realized in many ways. Debido a la complejidad de cada entorno, Se pueden ajustar varios parámetros del sistema para satisfacer las necesidades de las aplicaciones individuales. En general, La señal de baja frecuencia tiene un mayor rendimiento de potencia RF. El tamaño del producto receptor generalmente determina el tamaño máximo de la antena, Determina la frecuencia mínima de transmisión de energía. Aunque se puede utilizar una pequeña antena eléctrica, Estas antenas tienen un ancho de banda muy estrecho, Por lo tanto, no es adecuado para la producción a gran escala, ya que las tolerancias de fabricación pueden causar cambios en la frecuencia de resonancia..
La concentración de radiofrecuencia en campos cercanos o lejanos proporciona un método adicional para aumentar el rendimiento. Sin embargo,, La combinación de múltiples antenas y dispositivos electrónicos auxiliares en una matriz duplicará los costos de despliegue, Por lo tanto, los transmisores de antena única y amplificador pueden ser más ventajosos para aplicaciones de alta capacidad. Los materiales de construcción interiores estándar tienen poca influencia en el campo de radiofrecuencia, Por lo tanto, el sistema de alimentación de radiofrecuencia multi - Cámara es posible.
Considerar el esquema de diseño, the PCB RF Los sistemas de Energía Inalámbrica pueden diseñarse para satisfacer las diferentes necesidades de muchas aplicaciones en muchos mercados verticales.. La fuente de alimentación inalámbrica RF no es una tecnología futura, Pero la tecnología que se está desplegando, Se ampliará rápidamente y se introducirá en gran escala en un futuro próximo..