L'actualité PCB - Divers aspects de l'alimentation sans fil RF

Pendant des années, les gens ont parlé de la fonctionnalité de l'alimentation sans fil à distance et de plus en plus d'intérêt. Cette technologie a fait ses preuves et a été appliquée dans de nombreux secteurs tels que la fabrication, l'automatisation des bâtiments et l'hôtellerie. Il existe diverses autres technologies de recharge sans fil à courte portée sur le marché, notamment le Qi (couplage inductif) et la résonance magnétique. Cependant, cet article se concentrera sur les différentes méthodes d'alimentation sans fil à base de PCB RF pour les appareils électriques à longue distance.

Alimentation sans fil à distance

L'énergie sans fil RF est une technologie qui utilise des ondes radio pour la transmission d'électricité sur de longues distances. L'émetteur utilise une antenne pour générer un champ RF et se propager à l'antenne du récepteur. Le récepteur Capture une partie du champ RF et utilise un convertisseur RF vers DC pour générer la puissance DC disponible pour alimenter l'électronique ou charger la batterie. L'alimentation sans fil RF peut être réalisée de différentes manières et de nombreuses décisions de conception affecteront les performances du système. Lorsque toutes les variables sont prises en compte, les réseaux d'alimentation sans fil RF offrent un moyen de retirer les fils et les batteries des nombreux appareils que nous rencontrons quotidiennement.

La transmission d'énergie sans fil utilisant des radiofréquences en champ lointain peut être décrite par l'équation de Friis.

Où pr est la puissance de réception, PT est la puissance d'émission, GT (T, t) est le gain de l'antenne d'émission lié à l'angle, gr (R, r) est le gain de l'antenne de réception lié à l'angle, R est la longueur d'onde, R est l'antenne d'émission et l'antenne de réception, la distance entre t est le coefficient de réflexion de l'antenne d'émission, R est le coefficient de réflexion de l'antenne de réception, P µt est le vecteur de polarisation de l'antenne d'émission et P µr est le vecteur de polarisation de l'électrode de réception. Généralement, en supposant que l'émetteur et le récepteur sont appariés, ont le même vecteur de polarisation, et dans le faisceau de rayonnement principal, l'équation est réduite à:

Cette équation montre que la puissance reçue est inversement proportionnelle au carré de la distance, ce qui signifie que si la distance est doublée, la puissance reçue sera réduite d'un facteur 4. Ceci est compréhensible étant donné que la puissance se propage à la surface d'une sphère de surface a = 4Ír2.

Un autre facteur dans la transmission de puissance sans fil RF est que la puissance reçue est proportionnelle au carré de l'île ou inversement proportionnelle au carré de la fréquence. Cela signifie que, en supposant que toutes les autres variables soient identiques, le signal basse fréquence fournira plus de puissance de réception que le signal haute fréquence. Par example, considérons un amplificateur qui fournit 1 W de puissance RF à une antenne d'émission de gain 4 ou 4 W EIRP. Une antenne dipolaire de 915 MHz à une distance donnée recevra environ 7 fois plus de puissance qu'une antenne dipolaire de 2,4 GHz.

La puissance est environ 40 fois supérieure à la fréquence de 5,8 GHz.

Cette différence de puissance est due au fait que la surface effective de l'antenne diminue à mesure que la fréquence augmente. Les antennes dipolaires sont généralement de 1 / 2 de long. À mesure que la fréquence augmente, la zone de capture physique de l'antenne devient plus petite. Cependant, la densité de puissance s est indépendante de la fréquence.

L'équation 3 montre que la propagation de la puissance rayonnée sur la sphère est indépendante de la fréquence. La surface effective de l'antenne, également appelée Zone de capture, détermine l'ampleur de la puissance reçue. Cela explique pourquoi, dans les mêmes conditions, une antenne dipôle Island / 2 de 5,8 GHz capte moins d'énergie qu'une antenne Island / 2 de 915 MHz.

La surface effective AE de l'antenne est proportionnelle à son gain.

Des antennes à gain plus élevé peuvent être utilisées pour augmenter la zone de capture, mais les antennes à gain élevé se font au détriment de la directivité. Selon l'application, une directivité d'antenne précise n'est pas toujours avantageuse. Une façon de contourner ce fardeau potentiel consiste à utiliser plusieurs antennes et un convertisseur RF - DC pour augmenter la surface totale de capture. Cependant, cette solution augmente également le coût du récepteur en raison du matériel supplémentaire. Cela explique pourquoi il est important de déterminer approximativement les performances et les attentes du projet avant de concevoir le système.

L'équation de Friis n'est valable qu'en champ lointain, il est donc important de déterminer la frontière entre le champ proche et le champ lointain. Une méthode couramment utilisée consiste à déterminer où l'approximation de rayons parallèles commence à échouer, c'est - à - dire que l'onde émise à partir de l'antenne d'émission peut être approchée comme une onde plane incidente sur l'antenne de réception. Une onde plane signifie que l'antenne de réception voit une amplitude et une phase constantes à son ouverture (Figure 1). Typiquement, une erreur de phase de Í / 8 ou 22,5 degrés à l'ouverture de réception est considérée comme une approximation acceptable de l'onde plane, ce qui crée une frontière commune entre le champ proche et le champ lointain:

Où D est la plus grande dimension d'une antenne ou d'un réseau d'émission ou de réception, R est la distance entre les antennes d'émission et de réception et Island est la longueur d'onde.

Figure 1 l'onde sphérique se rapproche de la limite de champ lointain de l'onde plane.

Figure 2 focalisation en champ lointain.

Figure 3 focalisation en champ proche.

Focalisation du faisceau, puissance Hotspot taille

Dans certaines applications, il est avantageux de focaliser le champ RF sur l'antenne de réception pour maximiser le débit de puissance. Ceci peut être réalisé de plusieurs manières, typiquement en augmentant la densité de puissance par focalisation en champ lointain (Figure 2) ou en champ proche (Figure 3) de la puissance radiofréquence. La technique du champ lointain est souvent appelée Beamforming ou beamcontrol, et ceci est réalisé en utilisant une antenne à gain élevé ou en utilisant un réseau d'antennes pour produire un faisceau dirigé focalisé à l'infini. La direction du faisceau est contrôlée en dirigeant mécaniquement ou électroniquement le signal vers l'antenne de réception. Dans le cas d'une focalisation en champ proche, le réseau Antennaire focalise généralement chaque élément Antennaire en un point fini du champ proche pour générer un point chaud de densité de puissance radiofréquence, et le champ suivant de chaque antenne diverge en champ lointain au - delà du point chaud.

Pour la formation de faisceaux en champ lointain, il est important de comprendre les limites de l'énergie RF "focalisée". La taille du faisceau et la zone de focalisation seront toujours supérieures aux dimensions physiques de l'antenne d'émission. La focalisation des rayons lumineux de chaque élément d'antenne en un point infini dans le champ lointain signifie que les rayons lumineux sont parallèles, comme représenté sur la figure 2. Cependant, selon les spécifications de largeur de faisceau de champ lointain de la fiche technique d'antenne commerciale, les rayons émis à partir de chaque unité d'antenne se propageront avec la distance. L'ouverture d'un faisceau étroit commence à la plus petite taille de l'antenne et s'étend au fur et à mesure de sa propagation. Ainsi, si le réseau d'émission est de 1 mètre carré, le faisceau n'est jamais inférieur à 1 mètre carré, ce qui est important lors de l'émission de puissance RF vers une antenne de réception inférieure à l'antenne d'émission. Bien que le formage de faisceau puisse en effet concentrer plus de puissance radiofréquence sur l'antenne de réception, une grande partie du faisceau formé peut se trouver en dehors de la zone de capture souhaitée.

Dans le cas d'une focalisation en champ proche, les rayons émis par chaque antenne convergent en un point du champ proche, formant un point chaud local avec une densité de puissance de fréquence radio PCB élevée, comme illustré sur la figure 3. La taille de - 3db (demi - puissance) d'un Hotspot peut être aussi petite qu'un peu plus petite que Island / 2. Selon la taille de l'antenne de réception, la taille du point chaud peut être comparable à celle de l'antenne de réception. Si les dimensions des deux sont similaires, un couplage plus efficace peut être réalisé entre l'émetteur et le récepteur. Cependant, en raison du couplage étroit de ce schéma, le système doit être simulé et conçu dans son ensemble, à savoir les antennes d'émission et de réception. Comme les antennes sont très proches, leur impédance varie et l'amplitude et la phase du champ traversant l'ouverture de l'antenne de réception peuvent ne pas être uniformes. Bien que la conception d'une antenne en champ lointain ait une amplitude et une phase cohérentes dans sa zone de capture (c. - à - D. en supposant qu'il s'agisse d'une onde plane), les pratiques de conception d'antenne typiques peuvent ne pas convenir au fonctionnement en champ proche, de sorte que la simulation du système est importante pour optimiser les solutions de puissance sans fil en champ proche. La performance est essentielle.

La mise au point en champ lointain et en champ proche peut fournir un débit de puissance sans fil RF plus élevé. Cependant, la mise en œuvre de cela entraîne des complications qui ont tendance à augmenter les coûts. La solution de focalisation du faisceau peut comprendre un guidage mécanique ou électronique, par example un moteur ou un circuit de régulation d'amplitude et de phase. Cette augmentation des coûts rend difficile la démonstration des avantages du sans fil. Un tel procédé est d'autant plus réalisable dans des applications de grande capacité qu'un émetteur avec une seule antenne et un seul amplificateur est beaucoup plus petit et moins coûteux qu'une solution de focalisation de faisceau.

Matériaux de construction

Comme la puissance radio - fréquence est transmise à travers divers matériaux diélectriques, l'antenne peut être encastrée à l'intérieur du produit car aucune ligne de visée n'est requise entre l'émetteur et le récepteur. Cela signifie également que les capteurs alimentés sans fil peuvent être intégrés en permanence dans les matériaux de construction et placés derrière les murs. Les matériaux de construction intérieurs typiques tels que les plaques de plâtre sont « RF friendly», comme nous le savons grâce à la popularité du Wi - fi.

Compte tenu de l'influence des murs sur la transmission d'énergie sans fil RF, il existe plusieurs caractéristiques qui affectent la transmission d'énergie. Tous les matériaux diélectriques ont une constante diélectrique (c'est - à - dire une constante diélectrique relative) et une tangente d'angle de perte. D'une manière générale, un matériau diélectrique est caractérisé par ses pertes ou par la façon dont il atténue les signaux radiofréquences qui se propagent à travers lui; ces pertes sont liées à la tangente angulaire des pertes du matériau. Pour les matériaux tels que les plaques de plâtre, la tangente de l'angle de perte peut être faible, tandis que pour les matériaux de maçonnerie tels que la brique et le béton, la tangente de la valeur de perte sera plus grande. La constante diélectrique du matériau étant supérieure à celle de l'air intérieur, Provoque la réfraction et la réflexion de l'onde à la surface du matériau. La puissance réfléchie et l'angle de réflexion dépendent de la polarisation de l'onde par rapport à la surface d'entrée et sont décrits par l'équation de Fresnel. Par souci de simplicité, l'équation suivante suppose un milieu amagnétique non destructif, où RS est le coefficient de réflexion de puissance en polarisation verticale, RP est la réflectivité de puissance en polarisation parallèle, I est l'angle de l'onde incidente et t est l'angle de l'onde réfractée, Et island1 et island2 sont les constantes diélectriques des deux milieux. Ces équations montrent les puissances réfléchies et transmises à l'interface (Figure 4). Lorsque l'angle d'incidence est inférieur à 60 degrés, 80% ou plus de la puissance sans fil RF peut être transmise au mur. Il est intéressant de noter qu'avec une polarisation parallèle, 100% de la puissance sans fil RF peut être transmise au mur sous l'angle de Brewster. Comme la carte PCB n'est pas sans perte et que deux interfaces ont été créées: la pièce entre dans la plaque de plâtre et la plaque de plâtre dans l'air à L'arrière, la simulation ANSYS HFSS permet de visualiser comment la plaque de plâtre affecte la propagation. Le schéma est constitué d'une plaque de plâtre de 12,8 mm d'épaisseur avec îlot = 2,19 et îlot de tan = 00111, une antenne dipôle d'émission de 15 MHz située à 0,5 m du mur. On a tracé l'amplitude du champ électrique (champ e) pour un plan d'incidence de polarisation verticale de 4 * 2 M. Pour faciliter la comparaison, supprimez le mur et répétez la simulation. Ces figures montrent une vue de haut en bas du plan d'incidence. Les simulations sans murs montrent un cycle lisse et uniforme du champ E. Sur la figure 5a, la partie de l'anneau dont l'angle d'incidence est proche de zéro (c'est - à - dire directement du dipôle vers le bas) présente des résultats similaires à ceux de l'exemple sans paroi, car l'angle d'incidence est faible et la réflexion de la plaque de plâtre faible. Aux angles les plus raides à l'extrême droite et à l'extrême gauche du dipôle, le champ e réfléchi est plus élevé, ce qui entraîne plus de distorsion. L'onde réfléchie produit une interférence de longueur de phase et d'annulation de phase sur le champ principal e issu du dipôle. En examinant ces deux images, les deux simulations ont des champs électriques similaires en raison de la constante diélectrique relativement faible de la plaque de plâtre et de la très faible réflexion RF. La simulation vérifie que l'alimentation sans fil RF peut être mise en œuvre sans distance de vision. C'est - à - dire en utilisant un mur pour séparer l'antenne d'émission et l'antenne de réception, l'électricité peut également être transmise, relativement exempte d'obstacles.en résumé, l'alimentation sans fil RF peut être réalisée de plusieurs manières. En raison de la complexité de chaque environnement, divers paramètres du système peuvent être ajustés pour répondre aux besoins d'une seule application. En général, les signaux basse fréquence ont un débit de puissance RF plus élevé. La taille du produit reçu détermine généralement la taille maximale de l'antenne, ce qui détermine la fréquence la plus basse pour la transmission de puissance. Bien qu'il soit possible d'utiliser des antennes plus petites électriquement, la bande passante de ces antennes est très étroite et ne convient pas à la production de masse, car les tolérances de fabrication entraînent des variations de la fréquence de résonance. La concentration des RF en champ proche ou lointain offre un moyen supplémentaire d'augmenter le débit. Cependant, la fusion de plusieurs antennes dans un réseau avec une électronique auxiliaire double le coût de déploiement, de sorte qu'un émetteur avec une seule antenne et un amplificateur peut être plus avantageux pour des applications de grande capacité. Les matériaux de construction intérieurs standard ont peu d'impact sur le champ RF, de sorte qu'un système d'alimentation sans fil RF multiroom est possible. Compte tenu des options de conception, le système d'alimentation sans fil RF PCB peut répondre aux différents besoins de nombreuses applications dans de nombreux marchés verticaux. L'alimentation sans fil RF n'est pas une technologie d'avenir, mais une technologie qui est actuellement déployée et qui sera rapidement étendue et adoptée à grande échelle dans un proche avenir.