PCB 뉴스 - 무선 무선 전원 공급 장치의 모든 측면

수년 동안 사람들은 원격 무선 전원 공급 장치의 기능에 대해 이야기해 왔으며 점점 더 흥미를 느끼고 있습니다.이 기술은 이미 검증되었고 제조업, 건물 자동화, 호텔 등 많은 업계에 응용되었다.시장에는 Qi (전감 결합) 와 자기공명을 포함한 다양한 다른 단거리 무선 충전 기술도 있다.그러나 이 기사의 초점은 장거리 전력 장치에 사용되는 PCB 무선 주파수 기반 무선 전원의 다양한 방법에 있습니다.

원격 무선 전원 공급 장치

무선 주파수 무선 전력은 무선 전파를 이용하여 원거리 전력 전송을 하는 기술이다.송신기는 안테나를 사용하여 무선 주파수를 생성하고 수신기에 전파하는 안테나를 사용합니다.수신기는 RF 팜의 일부를 캡처하고 RF-DC 변환기를 사용하여 전자 장치에 전원을 공급하거나 배터리를 충전하는 데 사용할 수 있는 DC 전력을 생성합니다.무선 주파수 무선 전원 공급 장치는 여러 가지 방법으로 구현할 수 있으며 많은 설계 결정이 시스템 성능에 영향을 미칩니다.모든 변수를 고려할 때 무선 무선 전력 네트워크는 우리가 매일 만나는 많은 장치에서 와이어와 배터리를 제거하는 방법을 제공합니다.

원거리에서 무선 주파수를 사용하는 무선 전력 전송은 Friis 방정식으로 설명할 수 있습니다.

이 중 PR은 수신 전력, PT는 송신 전력, GT(○T, μT)는 각도 관련 송신 안테나 이득, GR(○R, μR)은 각 관련 송신 안테나 이득, ○는 파장, R은 송신 안테나와 송신 안테나 사이의 거리 ○T는 송신 안테나의 반사 계수, ○R은 송신 안테나의 반사 계수, pμT는 송신 극화 R, 벡터 R은 송신 극화일반적으로 송신기와 수신기가 일치하고 동일한 편광 벡터가 있으며 주 방사선 빔에서는 방정식이 다음과 같이 단순화됩니다.

이 방정식은 수신 전력이 거리의 제곱과 반비례한다는 것을 보여주는데, 이는 거리가 두 배가 되면 수신 전력이 네 배 줄어든다는 것을 의미한다.출력이 면적이 a=4Ír2인 구체 표면에서 전파되는 것을 감안하면 이해할 수 있다.

무선 주파수 무선 전력 전송의 또 다른 요인은 수신 전력이 섬의 제곱에 정비례하거나 주파수의 제곱에 반비례하는 것이다.즉, 다른 모든 변수가 동일하다고 가정하면 저주파 신호는 고주파 신호보다 더 많은 수신 전력을 제공합니다.예를 들어, 4 또는 4 W EIRP에 이득을 주는 송신 안테나에 1 W의 RF 전력을 제공하는 증폭기를 고려합니다.주어진 거리에 있는 915MHz 짝극 안테나는 2.4GHz 짝극 안테나보다 약 7배의 전력을 수신합니다.

5.8GHz 주파수와 비교했을 때 약 40배의 전력을 제공합니다.

이러한 전력 차이는 주파수가 증가함에 따라 안테나의 유효 면적이 줄어들기 때문이다.짝극 안테나는 일반적으로 1/2 길이입니다.주파수가 증가함에 따라 안테나의 물리적 포획 면적은 더욱 작아진다.그러나 전력 밀도 S는 주파수와 관련이 없습니다.

방정식 3은 구면에서의 방사능 출력의 전파가 주파수와 무관하다는 것을 보여준다.캡쳐 면적이라고도 하는 안테나의 유효 면적은 수신 전력의 크기를 결정합니다.이것은 같은 조건에서 5.8GHz 섬/2 짝극 안테나가 915MHz 섬/2 안테나보다 더 적은 에너지를 캡처하는 이유를 설명합니다.

안테나의 유효 면적 Ae는 이득에 비례합니다.

더 높은 이득의 안테나를 사용하여 캡처 면적을 늘릴 수 있지만 높은 이득의 안테나는 방향성을 대가로 합니다.응용에 따라 정확한 안테나 방향성이 항상 유리한 것은 아니다.이러한 잠재적 부담을 우회하는 한 가지 방법은 여러 개의 안테나와 RF-DC 동글을 사용하여 전체 캡처 면적을 늘리는 것입니다.그러나 추가 하드웨어로 인해 이 솔루션은 수신기 비용도 증가합니다.이것은 시스템을 설계하기 전에 성능과 프로젝트 예상을 대략적으로 결정하는 것이 중요한 이유를 설명합니다.

Friis 방정식은 먼 곳에서만 유효하므로 가까운 곳과 먼 곳 사이의 경계를 결정하는 것이 중요합니다.평행선의 근사가 어디에서 효력을 잃기 시작하는지 확인하는 것이 일반적인 방법이다. 즉, 안테나를 발사하는 파에서 수신 안테나에 입사하는 평면파와 근사할 수 있다.평면파는 수신 안테나가 구멍 지름에서 일정한 진폭과 위상을 본다는 것을 의미합니다 (그림 1).일반적으로 수신 구멍 지름의 위상 오차는?/8 또는 22.5도로 평면파의 수용 가능한 근사로 간주되며, 이는 근거리와 원거리 사이에 공통된 경계를 생성합니다.

여기서 D는 송신 또는 수신 안테나 또는 어레이의 최대 크기이며 r는 송신과 수신 안테나 사이의 거리이며 섬은 파장입니다.

그림 1 구면파는 평면파의 원거리 경계와 비슷하다.

그림 2 원거리 초점.

그림 3 근접 초점.

빔 포커스, 전력 핫스팟 크기

일부 응용 프로그램에서는 RF 필드를 수신 안테나에 초점을 맞추어 전력 처리량을 최대화하는 것이 유리합니다.이것은 일반적으로 무선 주파수 출력의 원거리 초점 (그림 2) 또는 근거리 초점 (그림 3 참조) 을 통해 출력 밀도를 증가시키는 몇 가지 방식으로 구현 될 수 있습니다.원거리 기술은 일반적으로 빔 성형 또는 빔 제어라고 불리며, 이는 고이득 안테나를 사용하거나 안테나 어레이를 사용하여 무한한 먼 곳에서 초점을 맞추어 정방향 빔을 생성함으로써 구현됩니다.신호를 수신 안테나로 기계적으로 또는 전자적으로 유도함으로써 빔의 방향을 제어합니다.근접 포커스의 경우, 안테나 어레이는 일반적으로 각 안테나 컴포넌트를 근접의 제한된 점에 초점을 맞추어 무선 주파수 전력 밀도의 핫스팟을 생성하고, 각 안테나의 후속 필드는 핫스팟 이외의 원거리에서 발산한다.

원거리 빔 성형의 경우'포커스'사이버 에너지의 한계를 이해하는 것이 중요하다. 빔 크기와 포커스 면적은 발사 안테나의 물리적 크기보다 항상 크다.각 안테나 컴포넌트의 광선을 먼 거리의 무한한 먼 곳에 초점을 맞추는 것은 그림 2와 같이 광선이 평행하다는 것을 의미합니다.그러나 상업용 안테나 데이터 테이블의 원거리 빔 폭 사양에 따라 각 안테나 유닛에서 방출되는 방사선은 거리에 따라 전파됩니다.좁은 빔의 공경은 안테나의 최소 크기에서 시작하여 전파에 따라 확장됩니다.따라서 송신 어레이가 1제곱미터라면 빔은 1제곱미터보다 작지 않다. 이는 송신 안테나보다 작은 수신 안테나에 RF 출력을 송신할 때 매우 중요하다.빔 성형은 수신 안테나에 더 많은 무선 주파수 전력을 집중할 수 있지만 성형 빔의 상당 부분은 원하는 캡처 영역 밖에 있을 수 있습니다.

근거리 초점의 경우, 각 안테나가 발사하는 방사선이 근거리 중 어느 한 지점에 모여 고무선 PCB 주파수 출력 밀도를 가진 국부 핫스팟을 형성한다. 그림 3과 같다.핫스팟의 -3dB(하프 파워) 크기는 섬/2보다 약간 작을 수 있습니다.수신 안테나의 크기에 따라 핫스팟의 크기는 수신 안테나의 크기와 비슷할 수 있다.크기가 비슷한 경우 송신기와 수신기 간의 결합을 보다 효율적으로 수행할 수 있습니다.그러나 이 방안의 긴밀한 결합으로 인해 시스템을 하나의 전체로 시뮬레이션하고 설계해야 한다. 즉 송신 안테나와 수신 안테나.안테나가 매우 가깝기 때문에, 그것들의 임피던스는 변화할 것이며, 안테나의 공경을 받는 장을 통과하는 진폭과 위상은 고르지 않을 수 있다.비록 원거리 안테나의 설계는 그 포획 구역에서 일치하는 진폭과 위상 (즉, 평면파라고 가정함) 을 가지고 있지만, 전형적인 안테나 설계 실천은 근거리 조작에 적합하지 않을 수 있기 때문에 시스템 시뮬레이션은 근거리 무선 전력 솔루션을 최적화하는 데 매우 중요하다.성능이 중요합니다.

원거리 및 근접 포커스는 무선 주파수 처리량을 향상시킵니다.그러나 이를 실현하는 것은 복잡성을 초래할 수 있으며, 이는 종종 비용을 증가시킬 수 있다.빔 포커스 솔루션에는 모터나 진폭 및 위상 조절 회로와 같은 기계적 또는 전자적 부팅이 포함될 수 있습니다.이러한 비용 증가는 무선의 이점을 입증하기 어렵게 만듭니다.단일 안테나와 증폭기를 갖춘 송신기는 빔 포커스 솔루션보다 훨씬 작고 비용도 훨씬 낮기 때문에 대용량 응용에 더 적합하다.

건축 자재

무선 주파수 무선 출력은 다양한 유전 물질을 통해 전송되기 때문에 송신기와 수신기 사이에 시선이 필요 없기 때문에 안테나는 제품 내부에 내장 될 수 있습니다.이것은 또한 무선 전력 공급 센서가 건축 자재에 영구적으로 내장되어 벽 뒤에 배치 될 수 있음을 의미합니다.석고보드와 같은 전형적인 실내 건축 자재는"Wi-Fi의 유행에서 알 수 있듯이 RF 친화적"이다.

무선 주파수 무선 전력 전송에 대한 벽의 영향을 고려할 때, 전력 전송에 영향을 미치는 몇 가지 특성이 있습니다.모든 전매질 재료에는 매체 상수 (즉, 상대 매체 상수) 와 손실 각도 탄젠트가 있습니다.일반적으로 전매체 재료의 특징은 그 손실이나 그것을 통해 전파되는 무선 주파수 신호를 어떻게 감쇠시키는가 하는 것이다. 이런 손실은 재료의 손실각과 직결된다.석고판 등 재료의 경우 손실각이 정확하면 낮을 수 있지만 벽돌과 콘크리트 등 축체 재료의 경우 손실치가 정확하면 더 크다.재료의 개전 상수가 실내 공기의 개전 계수보다 크기 때문에, 이러한 차이는 매체 사이에 인터페이스를 생성하여 재료의 표면에 파도가 굴절되고 반사된다.반사 전력과 반사각은 입사 표면에 대한 파의 편광에 따라 결정되며 피네이 방정식에 의해 설명됩니다.간단하게 보기 위해서, 아래의 방정식은 손상되지 않은 비자성 매체를 가정했다.여기서 RS는 수직 편광의 전력 반사계수, RP는 평행 편광의 전력 반사율, i는 입사파의 각도, t는 굴절파의 각도다. 1과 2는 두 매체의 매전 상수다.이러한 방정식은 인터페이스의 반사 및 전송 전력을 보여줍니다 (그림 4).송수신 각도가 60도 미만이면 80% 이상의 송수신기 무선 전력을 벽으로 전송할 수 있습니다.흥미롭게도 평행극화 상황에서 100% 의 무선 주파수 무선 출력은 브루스터 모서리에서 벽으로 전송될 수 있다.PCB 보드가 손상되지 않고 두 개의 인터페이스가 만들어졌기 때문에 방은 석고보드에 들어가고 석고보드는 뒤의 공기에 들어가기 때문에 Ansys HFSS 시뮬레이션을 사용하면 화석 연고보드가 전개에 어떻게 영향을 미치는지 볼 수 있습니다.12.8mm 두께의 석고보드로 구성된 이 방안은 섬 = 2.19, 탄섬 = 0.0111915MHz 송신 짝극 안테나가 벽에서 0.5m 떨어진 위치에 있다.입사 평면을 4*2m 수직으로 편광하는 전장(E장)의 진폭을 그렸다.비교를 용이하게 하려면 벽을 삭제하고 시뮬레이션을 반복합니다.이 그림들은 사고 비행기의 부감도를 보여 준다.벽이 없는 시뮬레이션은 매끄럽고 균일한 전장 순환을 보여준다.그림 5a에서 고리의 입사각이 0에 가까운 부분 (즉 짝극자에서 직접 아래로) 은 입사각이 작고 석고판의 반사가 적기 때문에 벽이 없는 예와 비슷한 결과를 보여준다.짝극자의 가장 오른쪽과 가장 왼쪽의 더 가파른 각도에서 반사되는 E장이 더 높아 더 많은 왜곡을 초래한다.반사파는 짝극자의 주 E필드에 대해 길이와 간섭을 발생시킵니다.이 두 이미지를 검사하면 석고판의 개전 상수가 상대적으로 낮기 때문에 RF 반사가 매우 작기 때문에 두 시뮬레이션은 비슷한 전장을 가지고 있다.에뮬레이션은 무선 주파수 무선 전원이 비시거로 작동할 수 있음을 확인합니다.벽을 이용해 송신 안테나와 수신 안테나를 분리해도 장애물의 영향을 상대적으로 받지 않고 출력을 전송할 수 있다. 한마디로 무선주파수 무선전원은 다양한 방식으로 구현할 수 있다.각 환경의 복잡성으로 인해 개별 애플리케이션의 요구 사항에 맞게 다양한 시스템 매개 변수를 조정할 수 있습니다.일반적으로 저주파 신호는 무선 주파수 전력 처리량이 더 큽니다.수신 제품의 크기는 일반적으로 최대 안테나 크기를 결정하며 이는 전력 전송의 최소 주파수를 결정합니다.전기적으로 작은 안테나를 사용할 수 있지만 제조 공차가 공명 주파수의 변화를 초래하기 때문에 대역폭이 매우 좁아 대규모 생산에 적합하지 않습니다.무선 주파수를 근거리나 원거리에 집중시키는 것은 물동량을 증가시키는 추가 방법을 제공한다.그러나 여러 개의 안테나를 보조 전자 부품이 있는 어레이에 병합하면 배치 비용이 두 배로 증가하기 때문에 단일 안테나와 증폭기가 있는 송신기는 대용량 응용에 더 유리할 수 있다.표준 실내 건축 자재는 무선 주파수장에 미치는 영향이 적기 때문에 멀티룸 무선 전원 시스템이 가능하다.설계 옵션을 고려할 때 PCB 무선 전원 시스템은 많은 수직 시장에서 많은 응용 프로그램의 다양한 요구를 충족시킬 수 있습니다.무선 무선 전원 공급 장치는 미래의 기술이 아니라 현재 배포 중인 기술로, 가까운 미래에 빠르게 확장되어 대규모로 채택될 것입니다.