PCBニュース - 無線周波数無線電源のさまざまな側面

長年にわたり、リモートワイヤレス電源の機能について議論され、ますます興味が高まっています。この技術は検証され、製造業、ビルの自動化、ホテルなど多くの業界に応用されている。市場には、Qi（誘導結合）や磁気共鳴など、他にもさまざまな短距離無線充電技術がある。しかし、本文の重点はPCB無線周波数に基づく無線電源の様々な方法であり、長距離の電力装置に使用される。

リモートワイヤレス電源

無線周波数無線電力は、電波を用いて遠隔電力伝送を行う技術である。送信機は、アンテナを使用して無線周波数フィールドを生成し、受信機のアンテナに伝播する。受信機はRFフィールドの一部を捕捉し、RF−DCコンバータを使用して、電子デバイスに電力を供給するために利用可能なDC電力を生成したり、バッテリを充電したりする。無線周波数無線電源は様々な方法で実現でき、多くの設計決定がシステム性能に影響を与える。すべての変数を考慮すると、無線周波数無線電力ネットワークは、毎日遭遇する多くのデバイスから電線や電池を除去する方法を提供します。

遠隔場における無線周波数を用いた無線電力伝送は、Friis方程式で記述することができる。

ここで、PRは受信電力、PTは送信電力、GT（θT、μT）は角度に関する送信アンテナ利得、GR（θR、μR）は角度に関する受信アンテナ利得、θは波長、Rは送信アンテナと受信アンテナの間の距離θTは送信アンテナの反射係数、θRは受信アンテナの反射係数、pμTは送信アンテナの偏光ベクトル、pμRは受信電極の偏光ベクトルである。通常、送信機と受信機が一致し、同じ偏光ベクトルを持つと仮定し、主放射ビームでは、方程式は以下のように簡略化される。

この方程式は、受信電力が距離の2乗に反比例することを示しており、これは距離が2倍になると受信電力が4倍に減少することを意味している。面積a=4λr 2の球体表面をパワーが伝播することを考慮すると理解できる。

無線周波数無線電力伝送の別の要因は、受信電力が島の2乗に比例するか、または周波数の2乗に反比例することである。これは、他のすべての変数が同じであると仮定すると、低周波信号は高周波信号よりも多くの受信電力を提供することを意味する。例えば、利得が4または4 WのEIRPの送信アンテナに1 WのRF電力を供給する増幅器を考える。所与の距離における915 MHzダイポールアンテナは、2.4 GHzダイポールアンテナより約7倍の電力を受信する。

電力は5.8 GHzの周波数に比べて約40倍である。

この電力差は、周波数が増加するにつれてアンテナの有効面積が減少するためである。双極子アンテナは通常1／2の長さである。周波数が増加するにつれて、アンテナの物理的捕捉面積はより小さくなる。しかし、電力密度Sは周波数に依存しない。

式3は、放射電力の球面上の伝播が周波数とは無関係であることを示している。アンテナの有効面積、捕獲面積とも呼ばれ、受信電力の大きさが決定される。これは、同じ条件下で、5.8 GHz島/2双極子アンテナが915 MHz島/2アンテナよりも捕捉されるエネルギーが少ない理由を説明している。

アンテナの有効面積Aeは、その利得に比例する。

より高利得のアンテナを使用して捕捉面積を増加させることができるが、高利得アンテナは指向性を犠牲にする。用途によっては、正確なアンテナ指向性は必ずしも有利ではありません。このような潜在的な負担を回避する1つの方法は、複数のアンテナおよびRF−DCコンバータを使用して総捕捉面積を増加させることである。しかし、このソリューションは追加のハードウェアのために受信機のコストも増加します。これは、システムを設計する前にパフォーマンスとプロジェクトの予想を大まかに決定することが重要である理由を説明しています。

Friis方程式は遠方場のみで有効であるため、近接場と遠方場の境界を決定することが重要である。1つの一般的な方法は、平行線近似がどこで故障し始めるかを決定することであり、つまり、送信アンテナから送信される波は、受信アンテナに入射する平面波として近似することができる。平面波とは、受信アンテナがその開口部に一定の振幅と位相を見ることを意味する（図1）。一般に、受信開口における位相誤差は？／8または22.5度であり、平面波の許容可能な近似と考えられ、これは近接場と遠方場の間に共通の境界を生成する：

ここで、Dは送信アンテナまたは受信アンテナまたはアレイの最大サイズであり、rは送信アンテナと受信アンテナとの間の距離であり、島は波長である。

図1の球面波は平面波の遠視野境界に近似している。

図2遠視野フォーカス。

図3近接場フォーカス。

ビーム焦点、パワーホットスポットサイズ

いくつかの用途では、電力スループットを最大化するために受信アンテナにRFフィールドを集束することが有利である。これはいくつかの方法で実現することができ、通常は無線周波数電力の遠視野焦点（図2）または近視野焦点（図3参照）によって電力密度を高めることができる。遠視野技術は、一般に、高利得アンテナを使用するか、アンテナアレイを使用して無限遠で集束して指向性ビームを生成することによって実現されるビームフォーミングまたはビーム制御と呼ばれる。信号を機械的または電子的に受信アンテナに導くことによってビームの方向を制御する。近接場フォーカスの場合、アンテナアレイは通常、各アンテナ要素を近接場中の有限点にフォーカスして無線周波数電力密度のホットスポットを生成し、各アンテナの後続場はホットスポット以外の遠方場で発散する。

遠視野ビーム形成には、「集束」無線周波数エネルギーの限界を理解することが重要である。ビームサイズと集束面積は常に送信アンテナの物理サイズより大きい。各アンテナ要素からの光を遠視野に集光する無限遠点は、図2に示すように、光が平行であることを意味する。しかし、商用アンテナデータテーブルにおける遠視野ビーム幅仕様によれば、各アンテナ要素から放射される放射線は距離とともに伝播する。狭いビームの開口はアンテナの最小サイズから始まり、伝搬するにつれて広がる。したがって、送信アレイが1平方メートルであれば、ビームは決して1平方メートルを下回ることはない。これは、送信アンテナよりも小さい受信アンテナにRF電力を送信する際に非常に重要である。ビームフォーミングは確かにより多くの無線周波数電力を受信アンテナに集中することができるが、フォーミングビームの大きな部分は所望の捕捉領域の外にある可能性がある。

近接場集束の場合、各アンテナから放射された放射線は近接場のある点で集束し、図3に示すように高無線周波PCB周波数パワー密度を有する局所的なホットスポットを形成する。ホットスポットの−3 dB（半電力）サイズは、島／2よりもわずかに小さくてもよい。受信アンテナの大きさに応じて、ホットスポットの大きさは受信アンテナの大きさに匹敵することができる。両者のサイズが似ていれば、送信機と受信機との間でより効果的な結合を実現することができる。しかし、この方式の緊密な結合のため、システムは全体としてシミュレーションと設計、すなわち送信アンテナと受信アンテナを行うべきである。アンテナが非常に接近しているため、インピーダンスが変化し、受信アンテナの開口を通過する場の振幅と位相が不均一になる可能性があります。遠視野アンテナの設計は、その捕捉領域において振幅と位相が一致している（すなわち、平面波であると仮定する）が、典型的なアンテナ設計の実践は近視野動作に適していない可能性があるため、システムシミュレーションは近接場無線電力ソリューションの最適化に重要である。パフォーマンスが重要です。

遠視野と近視野の集束は、より高い無線周波数無線電力スループットを提供することができる。しかし、これを実現することは複雑さをもたらし、コストが増加することがよくあります。ビーム集束ソリューションは、機械的又は電子的ガイド、例えばモータ又は振幅及び位相調整回路を含むことができる。このコストの増加により、ワイヤレスのメリットを証明するのは困難になっています。単一のアンテナと増幅器を有する送信機はビーム集束ソリューションよりもはるかに小さく、コストもはるかに低いため、この方法は大容量アプリケーションに適している。

建築材料

無線周波数無線電力は様々な誘電体材料を介して伝送されるため、送信機と受信機の間に視線が必要ないため、アンテナは製品内部に埋め込むことができる。これは、ワイヤレスで電力を供給するセンサを建築材料に永久に埋め込み、壁の後ろに置くことができることを意味しています。典型的な室内建築材料（石膏ボードなど）は「RFフレンドリー」であり、Wi-Fiの流行から知られているように。

壁が無線周波数無線電力伝送に与える影響を考慮すると、いくつかの特性が電力伝送に影響を与える。すべての誘電体材料は誘電率（すなわち相対誘電率）と損失正接を有する。一般に、誘電体材料の特徴は、その損失または伝搬する無線周波数信号をどのように減衰させるかである。この損失は材料の損失正接と関係がある。石膏ボードなどの材料では、損失正接が低い可能性がありますが、煉瓦やコンクリートなどのブロック材料では、損失値正接が大きくなります。材料の誘電率が室内空気の誘電率よりも大きいため、この違いは媒体間に界面を生じ、材料表面での波の屈折と反射をもたらす。反射パワーと反射角は入射表面に対する波の偏光に依存し、フレネル方程式によって記述される。簡単にするために、次の方程式は非磁性媒体を破壊しないと仮定している。ここで、RSは垂直偏光の電力反射係数であり、RPは平行偏光の電力反射率であり、iは入射波の角度であり、tは屈折波の角度である。1と2は2種類の媒体の誘電率である。これらの方程式は界面での反射電力と伝送電力を示している（図4）。入射角が60度未満の場合、80%以上の無線周波数電力を壁に伝送することができる。興味深いことに、平行偏光の場合、100%の無線周波数無線電力をブルースター角で壁に伝送することができる。PCBボードは無傷ではなく、部屋が石膏ボードに入り、石膏ボードが後ろの空気に入る2つのインタフェースが作成されているため、Ansys HFSSシミュレーションを使用することで、石膏ボードが展開にどのように影響するかを可視化するのに役立ちます。このスキームは厚さ12.8 mmの石膏ボードで構成され、島=2.19、tan島=0.011915 MHzエミッタダイポールアンテナは壁から0.5メートル離れた位置にある。4＊2 m垂直偏光入射面の電場（E場）の振幅をプロットした。比較を容易にするために、壁を削除してシミュレーションを繰り返します。これらの図は事故機の平面図を示している。壁のないシミュレーションは、滑らかで均一な電場サイクルを示しています。図5 aにおいて、リングの入射角がゼロに近い部分（すなわち、双極子から直接下に）は、入射角が小さく、石膏板の反射が少ないため、壁がない例と同様の結果を示している。双極子の右端と左端のより急な角度では、反射されたEフィールドが高くなり、より多くの歪みをもたらします。反射波は双極子からの主E場に対して相長及び相殺干渉を生じる。2枚の画像を調べたところ、石膏ボードの誘電率は相対的に低く、RF反射は非常に小さいため、2つのシミュレーションは似たような電場を持っていた。非視距で無線周波数無線電源を実現できることをシミュレーションで検証した。壁を使用して送信アンテナと受信アンテナを分離しても、障害物の影響を受けずに電力を送信することができます。つまり、無線周波数無線電源は様々な方法で実現することができます。各環境の複雑さのため、個々のアプリケーションのニーズを満たすために、さまざまなシステムパラメータを調整することができます。一般的に、低周波信号はより大きな無線周波数電力スループットを有する。受信製品のサイズは通常、最大アンテナサイズを決定し、電力伝送の最低周波数を決定する。電気的に小さいアンテナを使用することができるが、これらのアンテナの帯域幅は非常に狭く、製造公差によって共振周波数が変化するため、大規模な生産には適していない。近接場または遠方場に無線周波数を集中することは、スループットを増加させる追加の方法を提供する。しかし、複数のアンテナを補助電子デバイスを有するアレイに組み込むと、配置コストが2倍になるため、単一のアンテナと増幅器を有する送信機は大容量用途に有利である可能性がある。標準的な室内建材は無線周波数場への影響が少ないため、多部屋無線周波数電源システムが可能である。設計オプションを考慮すると、PCB無線周波数電源システムは多くの垂直市場における多くのアプリケーションの異なるニーズを満たすことができる。無線周波数無線電源は将来の技術ではなく、現在導入されている技術であり、近い将来急速に拡張され、大規模に採用されるだろう。