Notizie PCB - Aspetti dell'alimentazione wireless RF

Per molti anni, le persone hanno parlato della funzione dell'alimentatore wireless a lunga distanza e sono diventate sempre più interessate. La tecnologia è stata verificata ed è stata applicata in molti settori come la produzione, l'automazione degli edifici e gli hotel. Ci sono una varietà di altre tecnologie di ricarica wireless a corto raggio sul mercato, tra cui Qi (accoppiamento induttivo) e risonanza magnetica. Tuttavia, il focus di questo articolo sarà sui vari metodi di alimentatori wireless PCB basati su radiofrequenza per alimentare i dispositivi su lunghe distanze.

Alimentazione wireless a lunga distanza

L'alimentazione wireless a radiofrequenza è una tecnologia che utilizza le onde radio per la trasmissione di potenza a lunga distanza. Il trasmettitore utilizza un'antenna per generare un campo di radiofrequenza e propagarsi all'antenna del ricevitore. Il ricevitore cattura parte del campo RF e utilizza un convertitore RF-DC per generare energia DC utilizzabile per alimentare dispositivi elettronici o caricare batterie. L'alimentazione wireless RF può essere implementata in molti modi e molte decisioni di progettazione influenzeranno le prestazioni del sistema. Quando tutte le variabili sono prese in considerazione, le reti di alimentazione wireless RF forniscono un modo per rimuovere cavi e batterie da molti dei dispositivi che incontriamo ogni giorno.

La trasmissione di potenza wireless tramite radiofrequenza in campo lontano può essere descritta dall'equazione di Friis.

Dove PR è la potenza ricevuta, PT è la potenza di trasmissione, GT (θT, φT) è il guadagno dell'antenna di trasmissione dipendente dall'angolo, GR (θR, φR) è il guadagno dell'antenna di ricezione dipendente dall'angolo, Î" è la lunghezza d'onda, r è l'antenna di trasmissione e l'antenna di ricezione La distanza tra ΓT è il coefficiente di riflessione dell'antenna trasmittente, ΓR è il coefficiente di riflessione dell'antenna ricevente, p̂T è il vettore di polarizzazione dell'antenna trasmittente, e p̂R è il vettore di polarizzazione dell'antenna ricevente. In generale, supponendo che il trasmettitore e il ricevitore siano abbinati, abbiano lo stesso vettore di polarizzazione e siano nel fascio di radiazione principale, l'equazione è semplificata per:

Questa equazione mostra che la potenza ricevuta è inversamente proporzionale al quadrato della distanza, il che significa che se la distanza viene raddoppiata, la potenza ricevuta viene ridotta di 4 volte. Considerando che il potere è propagato sulla superficie di una sfera con un'area di A=4πr2, questo è comprensibile.

Un altro fattore della trasmissione di potenza wireless a radiofrequenza è che la potenza ricevuta è proporzionale al quadrato di Î" o inversamente proporzionale al quadrato di frequenza. Ciò significa che i segnali a bassa frequenza forniranno più potenza ricevuta rispetto ai segnali ad alta frequenza, supponendo che tutte le altre variabili siano le stesse. Ad esempio, si consideri un amplificatore che fornisce 1 W di potenza RF ad un'antenna trasmittente con un guadagno di 4 o 4 W EIRP. Un'antenna dipolo 915 MHz ad una data distanza riceverà circa 7 volte più potenza di un'antenna dipolo 2,4 GHz.

Rispetto alla frequenza di 5.8GHz, la potenza è di circa 40 volte.

Questa differenza di potenza è perché man mano che la frequenza aumenta, l'area effettiva dell'antenna diminuisce. L'antenna dipolo è generalmente lunga Î"/2. Man mano che la frequenza aumenta, l'area di cattura fisica dell'antenna diventa più piccola. Tuttavia, la densità di potenza S è indipendente dalla frequenza.

L'equazione 3 mostra che la propagazione del potere irradiato sulla superficie sferica è indipendente dalla frequenza. L'area effettiva dell'antenna, nota anche come area di cattura, determina la grandezza della potenza ricevuta. Questo spiega perché l'antenna a dipolo Î"/2 da 5,8 GHz cattura meno energia rispetto all'antenna Î"/2 da 915 MHz nelle stesse condizioni.

L'area effettiva Ae dell'antenna è proporzionale al suo guadagno.

Un'antenna a guadagno maggiore può essere utilizzata per aumentare l'area di cattura, ma un'antenna ad alto guadagno viene a costo della direttività. A seconda dell'applicazione, la precisa direttività dell'antenna non è sempre vantaggiosa. Un modo per aggirare questo potenziale onere è quello di utilizzare più antenne e convertitori RF-DC per aumentare l'area di cattura complessiva. Tuttavia, questa soluzione aumenta anche il costo del ricevitore a causa dell'hardware aggiuntivo. Questo spiega perché è importante determinare approssimativamente le prestazioni e le aspettative del progetto prima di progettare un sistema.

L'equazione di Friis è valida solo nel campo lontano, quindi è importante determinare il confine tra il campo vicino e il campo lontano. Un metodo comunemente usato è quello di determinare dove l'approssimazione del raggio parallelo inizia a fallire, cioè, l'onda emessa dall'antenna trasmittente può essere approssimata come un incidente di onda piana sull'antenna ricevente. Un'onda piana significa che l'antenna ricevente vede un'ampiezza e una fase costanti alla sua apertura (Figura 1). Generalmente, un errore di fase di π/8 o 22,5 gradi all'apertura ricevente è considerato un'approssimazione accettabile di un'onda piana, che crea un confine comune tra il campo vicino e il campo lontano:

Se D è la dimensione massima dell'antenna o dell'array trasmittente o ricevente, r è la distanza tra l'antenna trasmittente e quella ricevente e Î" è la lunghezza d'onda.

Figura 1 L'onda sferica si avvicina al limite del campo lontano di un'onda piana.

Figura 2 Messa a fuoco in campo remoto.

Figura 3 Messa a fuoco ravvicinata.

Messa a fuoco del fascio, dimensione del punto caldo di potenza

In alcune applicazioni, è vantaggioso mettere a fuoco il campo RF sull'antenna ricevente per massimizzare il throughput di potenza. Questo può essere ottenuto in diversi modi, di solito mediante messa a fuoco a campo lontano (Figura 2) o messa a fuoco vicino (Figura 3) della potenza RF per aumentare la densità di potenza. La tecnologia a campo lontano è solitamente chiamata beamforming o beam steering, che si ottiene utilizzando un'antenna ad alto guadagno o utilizzando un array di antenna per mettere a fuoco all'infinito per generare un fascio direzionale. La direzione del fascio è controllata dirigendo meccanicamente o elettronicamente il segnale verso l'antenna ricevente. Nel caso della messa a fuoco in prossimità del campo, l'array dell'antenna di solito concentra ogni elemento dell'antenna su un punto finito nel campo vicino per generare un punto caldo di densità di potenza a radiofrequenza, e il campo successivo di ogni antenna diverge nel campo lontano fuori dal punto caldo.

Per il beamforming a campo lontano, è importante comprendere i limiti dell'energia RF "messa a fuoco". La dimensione del fascio e l'area di messa a fuoco saranno sempre più grandi delle dimensioni fisiche dell'antenna trasmittente. Focalizzare i raggi di ogni elemento dell'antenna nel punto infinito nel campo lontano significa che i raggi sono paralleli, come mostrato nella Figura 2. Tuttavia, i raggi emessi da ogni unità antenna si propagano con distanza in base alle specifiche di larghezza del fascio di campo lontano contenute nella scheda tecnica dell'antenna disponibile in commercio. L'apertura del fascio stretto parte dalla dimensione più piccola dell'antenna e si diffonde man mano che si propaga. Pertanto, se l'array di trasmissione è di 1 metro quadrato, il fascio non sarà mai più piccolo di 1 metro quadrato, che è molto importante quando si trasmette potenza RF a un'antenna ricevente più piccola dell'antenna di trasmissione. Sebbene il beamforming possa effettivamente concentrare più potenza in radiofrequenza sull'antenna ricevente, gran parte del fascio sagomato potrebbe trovarsi al di fuori dell'area di cattura desiderata.

Nel caso della messa a fuoco in campo vicino, i raggi emessi da ciascuna antenna convergono in un certo punto nel campo vicino per formare un punto caldo locale con alta densità di potenza di frequenza PCB radio, come mostrato nella figura 3. La dimensione -3dB (metà potenza) del punto caldo può essere piccola quanto leggermente inferiore a Î"/2. A seconda delle dimensioni dell'antenna ricevente, le dimensioni dell'hot spot possono essere paragonabili alle dimensioni dell'antenna ricevente. Se le dimensioni dei due sono simili, è possibile ottenere un accoppiamento più efficace tra il trasmettitore e il ricevitore. Tuttavia, a causa dell'accoppiamento stretto di questo schema, il sistema dovrebbe essere simulato e progettato nel suo complesso, cioè l'antenna trasmittente e l'antenna ricevente. Poiché le antenne sono molto vicine, la loro impedenza cambierà e l'ampiezza e la fase del campo che passa attraverso l'apertura dell'antenna ricevente sono probabilmente irregolari. Sebbene la progettazione dell'antenna a campo lontano abbia un'ampiezza e una fase coerenti nella sua area di cattura (cioè, si presume che sia un'onda piana), le pratiche tipiche di progettazione dell'antenna potrebbero non essere adatte per il funzionamento vicino al campo, quindi la simulazione del sistema è importante per l'ottimizzazione delle soluzioni di alimentazione wireless vicino al campo. Le prestazioni sono fondamentali.

Sia la messa a fuoco a campo lontano che a campo vicino possono fornire una maggiore potenza wireless a radiofrequenza. Tuttavia, raggiungere questo obiettivo comporta complessità, che tende ad aumentare i costi. Le soluzioni di messa a fuoco del fascio possono includere la guida meccanica o elettronica, come motori o circuiti di regolazione dell'ampiezza e della fase. Questo aumento dei costi rende difficile dimostrare i vantaggi wireless. Poiché i trasmettitori con una singola antenna e amplificatore sono molto più piccoli e costano meno delle soluzioni di messa a fuoco del fascio, questo metodo è più fattibile per applicazioni ad alto volume.

Materiali da costruzione

Poiché l'alimentazione wireless a radiofrequenza viene trasmessa attraverso vari materiali dielettrici, l'antenna può essere incorporata all'interno del prodotto, perché non è necessaria alcuna linea di vista tra il trasmettitore e il ricevitore. Ciò significa anche che i sensori alimentati in modalità wireless possono essere incorporati in modo permanente nei materiali da costruzione e collocati dietro le pareti. I materiali da costruzione tipici per interni (come il cartongesso) sono "RF-friendly", come lo conosciamo dalla popolarità del Wi-Fi.

Considerando l'influenza delle pareti sulla trasmissione di potenza wireless a radiofrequenza, ci sono diverse caratteristiche che influenzano la trasmissione di potenza. Tutti i materiali dielettrici hanno costante dielettrica (cioè costante dielettrica relativa) e tangente di perdita. Generalmente, un materiale dielettrico è caratterizzato dalla sua perdita o da come attenua il segnale di radiofrequenza propagandosi attraverso di esso. Questa perdita è correlata alla perdita tangente del materiale. Per materiali come il cartongesso, la tangente di perdita può essere abbastanza bassa, mentre per i materiali di muratura come mattoni e calcestruzzo, la tangente di perdita sarà più grande. Poiché la costante dielettrica del materiale è maggiore della costante dielettrica dell'aria interna, questa differenza crea un'interfaccia tra i media, con conseguente rifrazione e riflessione delle onde sulla superficie del materiale. La potenza riflessa e l'angolo di riflessione dipendono dalla polarizzazione dell'onda rispetto alla superficie incidente e sono descritti dall'equazione di Fresnel. Per semplicità, l'equazione seguente assume un mezzo non magnetico senza perdite. Tra questi, RS è il coefficiente di riflessione di potenza della polarizzazione verticale, RP è il coefficiente di riflessione di potenza della polarizzazione parallela, θi è l'angolo dell'onda incidente, Î t è l'angolo dell'onda rifratta e ε1 e ε2 sono le costanti dielettriche dei due media. Queste equazioni mostrano la potenza riflessa e trasmessa all'interfaccia (Figura 4). Quando l'angolo incidente è inferiore a 60 gradi, l'80% o più della potenza wireless a radiofrequenza può essere trasmessa alla parete. È interessante notare che nel caso di polarizzazione parallela, il 100% della potenza wireless a radiofrequenza può essere trasmessa alla parete sotto l'angolo di Brewster. Poiché la scheda PCB non è priva di perdite e vengono create due interfacce: la stanza entra nel cartongesso e il cartongesso nell'aria dietro, utilizzando la simulazione Ansys HFSS aiuta a visualizzare come il cartongesso influisce sulla diffusione. Lo schema consiste in cartongesso di spessore 12,8 mm, εr=2,19, tanδ=0,0111, e un'antenna dipolo trasmittente 915MHz si trova a 0,5 metri dalla parete. Viene tracciata l'ampiezza del campo elettrico (campo E) di un piano di polarizzazione verticale di 4*2 m. Per facilitare il confronto, eliminare il muro e ripetere la simulazione. Queste cifre mostrano una vista dall'alto verso il basso dell'aereo incidente. La simulazione senza pareti mostra un ciclo regolare e uniforme del campo E. Nella figura 5a, la parte dell'anello in cui l'angolo incidente è vicino a zero (cioè direttamente giù dal dipolo) mostra risultati simili all'esempio senza pareti, perché l'angolo incidente è piccolo e il cartongesso riflette poco. Ad angoli più ripidi, all'estrema destra e sinistra del dipolo, il campo E riflesso è più alto, causando una maggiore distorsione. L'onda riflessa crea interferenze costruttive e distruttive al campo E principale dal dipolo. Esaminando queste due immagini, poiché la costante dielettrica del cartongesso è relativamente bassa, c'è molto poca riflessione RF, quindi le due simulazioni hanno campi E simili. La simulazione ha confermato che l'alimentazione wireless a radiofrequenza può essere realizzata in una situazione non-line-of-view. Anche se una parete viene utilizzata per separare le antenne trasmittenti e riceventi, l'alimentazione può anche essere trasmessa, relativamente inalterata dagli ostacoli.In conclusione l'alimentazione wireless a radiofrequenza può essere realizzata in molti modi. A causa della complessità di ogni ambiente, i vari parametri di sistema possono essere regolati per soddisfare le esigenze delle singole applicazioni. In generale, i segnali a bassa frequenza hanno una maggiore potenza in radiofrequenza. La dimensione del prodotto ricevente di solito determina la dimensione massima dell'antenna, che determina la frequenza più bassa per la trasmissione di potenza. Sebbene possano essere utilizzate antenne elettricamente piccole, la larghezza di banda di queste antenne è molto ridotta, rendendole inadatte alla produzione di massa perché le tolleranze di fabbricazione possono causare cambiamenti nella frequenza di risonanza. Concentrare le frequenze radio nel campo vicino o lontano fornisce un metodo aggiuntivo per aumentare la produttività. Tuttavia, incorporare più antenne in un array con elettronica ausiliaria raddoppierà il costo di implementazione, quindi un trasmettitore con una singola antenna e amplificatore può essere più vantaggioso per applicazioni ad alto volume. I materiali da costruzione interni standard hanno poco effetto sul campo RF, quindi i sistemi di alimentazione wireless RF multi-stanza sono possibili. Considerando le opzioni di progettazione, il sistema di alimentazione wireless a radiofrequenza PCB può essere progettato per soddisfare le diverse esigenze di molte applicazioni in molti mercati verticali. L'alimentazione wireless a radiofrequenza non è una tecnologia futura, ma una tecnologia attualmente in fase di implementazione, che sarà rapidamente ampliata e adottata su larga scala nel prossimo futuro.