Berita PCB - Aspekt bekalan kuasa tanpa wayar RF

Selama bertahun-tahun, orang telah bercakap tentang fungsi bekalan kuasa tanpa wayar jarak jauh, dan telah menjadi semakin tertarik. Teknologi telah disahkan dan telah dilaksanakan dalam banyak industri seperti penghasilan, pembinaan automati, dan hotel. Terdapat pelbagai teknologi muatan tanpa wayar jarak pendek lain di pasar, termasuk Qi (sambungan induktif) dan resonansi magnetik. Namun, fokus artikel ini akan berada pada pelbagai kaedah bekalan kuasa tanpa wayar berdasarkan frekuensi-radio PCB untuk peranti kuasa pada jarak jauh.

Sumber kuasa tanpa wayar jarak jauh

Kuasa tanpa wayar frekuensi radio adalah teknologi yang menggunakan gelombang radio untuk transmisi kuasa jarak jauh. Penghantar menggunakan antena untuk menghasilkan medan frekuensi radio dan menyebar ke antena penerima. Penerima menangkap sebahagian medan RF dan menggunakan penukar RF-ke-DC untuk menghasilkan kuasa DC yang boleh digunakan untuk menyalakan peranti elektronik atau bateri muatan. Kuasa tanpa wayar RF boleh dilaksanakan dalam banyak cara, dan banyak keputusan desain akan mempengaruhi prestasi sistem. Apabila semua pembolehubah dianggap, rangkaian kuasa tanpa wayar RF menyediakan cara untuk menghapuskan wayar dan bateri dari banyak peranti yang kita jumpa setiap hari.

Transmisi kuasa tanpa wayar menggunakan frekuensi radio di medan jauh boleh dijelaskan oleh persamaan Friis.

Dimana PR ialah kuasa diterima, PT ialah kuasa penghantaran, GT (θT, ϬT) ialah pendapatan antena penghantaran bergantung sudut, GR (θR, ϬR) ialah pendapatan antena penghantaran bergantung sudut, λ ialah panjang gelombang, r ialah antena penghantaran dan antena penghantaran Jarak antara άT ialah koeficient refleksi antena penghantaran, δR ialah koeficien refleksi antena yang menerima, p ̴T ialah vektor polarizasi antena yang menghantar, dan p̴R ialah vektor polarizasi antena yang menerima. Secara umum, menganggap pemancar dan penerima sepadan, mempunyai vektor polarizasi yang sama, dan berada di dalam sinar radiasi utama, persamaan dipadamkan kepada:

Persamaan ini menunjukkan kuasa yang diterima adalah secara bertentangan dengan kuasa dua jarak, yang bermakna jika jarak dipandang, kuasa diterima dikurangi dengan 4 kali. Mengingat bahawa kuasa disebarkan pada permukaan sfera dengan kawasan A=4Ï-r2, ini boleh dimengerti.

Faktor lain penghantaran kuasa tanpa wayar frekuensi radio ialah kuasa yang diterima adalah proporsional kepada kuasa dua Î' atau secara terbaliknya proporsional kepada kuasa dua frekuensi. Ini bermakna bahawa isyarat frekuensi rendah akan menyediakan kuasa yang diterima lebih daripada isyarat frekuensi tinggi, menganggap semua pembolehubah lain adalah sama. Contohnya, pertimbangkan penyampai yang menyediakan kuasa RF 1 W kepada antena penghantaran dengan keuntungan 4, atau EIRP 4 W. Antena dipol 915 MHz pada jarak tertentu akan menerima sekitar 7 kali lebih kuasa daripada antena dipol 2.4 GHz.

Berbanding dengan frekuensi 5.8GHz, kuasa adalah kira-kira 40 kali.

Perbezaan kuasa ini adalah kerana semasa frekuensi meningkat, kawasan efektif antena menurun. Antena dipol biasanya λ/2 panjang. Semasa frekuensi meningkat, kawasan tangkap fizikal antena menjadi lebih kecil. Namun, densiti kuasa S adalah bebas dari frekuensi.

Persamaan 3 menunjukkan bahawa penyebaran kuasa radiasi pada permukaan sferi adalah bebas dari frekuensi. Kawasan efektif antena, juga dikenali sebagai kawasan tangkap, menentukan ukuran kuasa yang diterima. Ini menjelaskan mengapa antena dipol 5.8GHz λ/2 menangkap kurang tenaga daripada antena 915MHz λ/2 dalam keadaan yang sama.

Kawasan efektif Ae antena adalah proporsional dengan keuntungannya.

Antena yang lebih tinggi boleh digunakan untuk meningkatkan kawasan penangkapan, tetapi antena yang lebih tinggi datang dengan biaya arah. Bergantung pada aplikasi, arah antena yang tepat tidak sentiasa berguna. Satu cara untuk melepasi beban potensi ini adalah menggunakan antena berbilang dan penyukar RF-DC untuk meningkatkan kawasan tangkap keseluruhan. Namun, penyelesaian ini juga meningkatkan kos penerima disebabkan perkakasan tambahan. Ini menjelaskan mengapa penting untuk menentukan prestasi dan jangkaan projek secara kira-kira sebelum merancang sistem.

Persamaan Friis hanya sah dalam medan jauh, jadi penting untuk menentukan sempadan antara medan dekat dan medan jauh. Kaedah yang biasa digunakan adalah untuk menentukan di mana pendekatan sinar selari bermula gagal, iaitu, gelombang yang dikeluarkan dari antena penghantar boleh didekati sebagai insiden gelombang pesawat pada antena yang menerima. Gelombang pesawat bermakna antena yang menerima melihat amplitud dan fasa konstan pada terbukanya (Figure 1). Secara umum, ralat fasa Ï`/8 atau 22.5 darjah pada terbuka penerima dianggap sebagai pendekatan yang boleh diterima gelombang pesawat, yang mencipta sempadan umum antara medan dekat dan medan jauh:

Dimana D ialah saiz maksimum antena atau array yang menghantar atau menerima, r ialah jarak antara antena yang menghantar dan menerima, dan λ ialah panjang gelombang.

Figure 1 Gelombang sferik mengharapkan sempadan medan jauh gelombang pesawat.

Gambar 2 Fokus medan jauh.

Gambar 3 Fokus lapangan dekat.

Fokus sinar, saiz titik panas kuasa

Dalam beberapa aplikasi, ia adalah bermanfaat untuk fokus medan RF pada antena yang menerima untuk maksimumkan daya kuasa. Ini boleh dicapai dengan beberapa cara, biasanya dengan fokus medan jauh (Figure 2) atau fokus medan dekat (Figure 3) kuasa RF untuk meningkatkan ketepatan kuasa. Teknologi medan jauh biasanya dipanggil pembentukan cahaya atau pemandu cahaya, yang dicapai dengan menggunakan antena yang mempunyai keuntungan tinggi atau menggunakan tata antena untuk fokus pada keabadian untuk menghasilkan cahaya arah. Arah sinar dikawal secara mekanik atau elektronik mengarahkan isyarat ke antena penerima. Dalam kes fokus medan dekat, tata antena biasanya fokus setiap unsur antena ke titik tertentu dalam medan dekat untuk menghasilkan titik panas kuasa frekuensi radio, dan medan berikutnya setiap antena bergerak dalam medan jauh diluar titik panas.

Untuk bentuk cahaya medan jauh, penting untuk memahami keterangan tenaga RF "fokus". Saiz cahaya dan kawasan fokus akan sentiasa lebih besar daripada saiz fizikal antena penghantaran. Menfokus sinar dari setiap unsur antena pada titik tak terbatas dalam medan jauh bermakna sinar adalah selari, seperti yang dipaparkan dalam Gambar 2. Namun, sinar yang dihancurkan dari setiap unit antena akan berkembang dengan jarak menurut spesifikasi lebar cahaya medan jauh dalam helaian data antena yang tersedia secara komersial. Buka sinar sempit bermula dari saiz kecil antena dan menyebar semasa ia menyebar. Oleh itu, jika tatasusunan adalah 1 meter kuasa dua, cahaya tidak akan pernah lebih kecil daripada 1 meter kuasa dua, yang sangat penting bila menghantar kuasa RF ke antena yang menerima yang lebih kecil daripada antena yang menghantar. Walaupun pembentukan cahaya benar-benar boleh tumpukan lebih kuasa frekuensi radio pada antena yang menerima, sebahagian besar cahaya bentuk mungkin berada di luar kawasan penangkapan yang diinginkan.

Dalam kes fokus medan dekat, sinar yang dikeluarkan oleh setiap antena berkumpul pada titik tertentu di medan dekat untuk membentuk titik panas setempat dengan densiti kuasa frekuensi PCB radio tinggi, seperti yang dipaparkan dalam Figur 3. Saiz -3dB (setengah kuasa) titik panas boleh menjadi sebanyak sedikit kurang daripada λ/2. Bergantung pada saiz antena yang menerima, saiz titik panas boleh dibandingkan dengan saiz antena yang menerima. Jika saiz kedua-dua sama, sambungan yang lebih efektif boleh dicapai antara penghantar dan penerima. Namun, disebabkan sambungan ketat skema ini, sistem patut disimulakan dan direka sebagai keseluruhan, iaitu antena penghantaran dan antena penerima. Oleh kerana antena sangat dekat, impedance mereka akan berubah, dan amplitud dan fasa medan melewati terbuka antena yang menerima mungkin tidak sama. Walaupun rancangan antena medan jauh mempunyai amplitud dan fasa konsisten dalam kawasan tangkapannya (iaitu, ia dianggap sebagai gelombang pesawat), praktek rancangan antena biasa mungkin tidak sesuai untuk operasi medan dekat, jadi simulasi sistem penting untuk optimasi penyelesaian kuasa tanpa wayar medan dekat. Performance adalah kritikal.

Kedua-dua fokus medan jauh dan medan dekat boleh menyediakan kuasa tanpa wayar frekuensi radio yang lebih tinggi. Namun, mencapai ini membawa kompleksiti, yang cenderung untuk meningkatkan kos. Solusi fokus cahaya boleh termasuk panduan mekanik atau elektronik, seperti motor atau amplitud dan sirkuit penyesuaian fasa. Peningkatan ini membuat ia sukar untuk membuktikan keuntungan tanpa wayar. Oleh kerana pemancar dengan antena tunggal dan penyampai jauh lebih kecil dan lebih mahal daripada penyelesaian fokus cahaya, kaedah ini lebih mudah untuk aplikasi volum tinggi.

Bahan bangunan

Oleh kerana kuasa tanpa wayar frekuensi radio dihantar melalui berbagai bahan dielektrik, antena boleh dimasukkan ke dalam produk, kerana tiada garis penglihatan diperlukan antara penghantar dan penerima. Ini juga bermakna bahawa sensor tanpa wayar boleh ditempatkan secara kekal dalam bahan bangunan dan ditempatkan di belakang dinding. Bahan bangunan di dalam biasa (seperti papan gipsum) adalah "RF-friendly", seperti yang kita tahu dari popularitas Wi-Fi.

Mengingat pengaruh dinding pada transmisi kuasa tanpa wayar frekuensi radio, terdapat beberapa ciri-ciri yang mempengaruhi transmisi kuasa. Semua bahan dielektrik mempunyai konstan dielektrik (ie, konstan dielektrik relatif) dan tangen kehilangan. Secara umum, bahan dielektrik ditakrifkan oleh kehilangan atau bagaimana ia mengurangkan isyarat frekuensi radio yang menyebar melalui ia. Kehilangan ini berkaitan dengan kehilangan tangen bahan. Untuk bahan-bahan seperti papan gipsum, tangen kehilangan mungkin agak rendah, sementara untuk bahan-bahan masonry seperti batu bata dan beton, tangen kehilangan akan lebih besar. Oleh kerana konstan dielektrik bahan lebih besar daripada konstan dielektrik udara dalam, perbezaan ini mencipta antaramuka antara media, yang mengakibatkan refraksi dan refleksi gelombang di permukaan bahan. Kuasa yang terrefleksi dan sudut refleksi bergantung pada polarizasi gelombang terhadap permukaan insiden dan diterangkan oleh persamaan Fresnel. Untuk kemudahan, persamaan berikut menganggap medium tanpa kehilangan, bukan magnet. Di antara mereka, RS ialah koeficien refleksi kuasa polarizasi menegak, RP ialah koeficien refleksi kuasa polarizasi selari, θi ialah sudut gelombang insiden, θt ialah sudut gelombang refraksi, dan ε1 dan ε2 ialah konstan dielektrik dua media. Persamaan ini menunjukkan kuasa terreflected dan dihantar pada antaramuka (Figur 4). Apabila sudut insiden kurang dari 60 darjah, 80% atau lebih kuasa radio frekuensi tanpa wayar boleh dihantar ke dinding. Menarik, dalam kes polarizasi selari, 100% kuasa radio frekuensi tanpa wayar boleh dihantar ke dinding di bawah sudut Brewster. Kerana papan PCB tidak hilang dan dua antaramuka dicipta: bilik masuk papan gypsum dan papan gypsum ke udara di belakang, menggunakan simulasi Ansys HFSS membantu untuk membayangkan bagaimana papan gypsum mempengaruhi penyebaran. Skema ini terdiri dari papan plaster tebal 12.8 mm, εr=2.19, tan δ=0.0111, dan antena dipol penghantaran 915MHz ditempatkan 0.5 meter dari dinding. Amplitud medan elektrik (medan E) bagi lapisan polarizasi menegak 4*2 m incidensi dipotong. Untuk memudahkan perbandingan, padam dinding dan ulangi simulasi. Angka ini menunjukkan pandangan atas ke bawah pesawat insiden. Simulasi tanpa dinding menunjukkan loop medan-E yang licin dan seragam. Dalam Gambar 5a, bahagian cincin di mana sudut insiden dekat dengan sifar (iaitu, langsung ke bawah dari dipol) menunjukkan hasil yang sama dengan contoh tanpa dinding, kerana sudut insiden adalah kecil dan papan gipsum merefleksikan sedikit. Pada sudut yang lebih teruk di sebelah kanan dan kiri dipol-medan E yang terrefleks lebih tinggi, menyebabkan lebih banyak kerosakan. Gelombang yang terrefleksi mencipta gangguan konstruktif dan menghancurkan ke medan E utama dari dipol. Memeriksa dua imej ini, kerana konstan dielektrik papan gypsum relatif rendah, terdapat sedikit refleksi RF, jadi kedua-dua simulasi mempunyai medan E yang sama. Simulasi mengesahkan bahawa bekalan kuasa frekuensi radio tanpa wayar boleh diselesaikan dalam situasi bukan-garis-penglihatan. Walaupun dinding digunakan untuk memisahkan antena penghantaran dan menerima, kuasa juga boleh dihantar, relatif tidak disentuh oleh halangan.dalam kesimpulan bekalan kuasa frekuensi radio tanpa wayar boleh disedari dalam banyak cara. Kerana kompleksiti setiap persekitaran, berbagai parameter sistem boleh disesuaikan untuk memenuhi keperluan aplikasi individu. Secara umum, isyarat frekuensi rendah mempunyai aliran kuasa frekuensi radio yang lebih besar. Saiz produk yang menerima biasanya menentukan saiz maksimum antena, yang menentukan frekuensi paling rendah untuk penghantaran kuasa. Walaupun antena kecil secara elektrik boleh digunakan, lebar band antena ini sangat sempit, menjadikannya tidak sesuai untuk produksi massa kerana toleransi penghasilan boleh menyebabkan perubahan dalam frekuensi resonansi. Mengkonsentrasi frekuensi radio dalam medan dekat atau jauh menyediakan kaedah tambahan untuk meningkat kelajuan. Namun, memasukkan antena berbilang ke dalam tatangkap dengan elektronik bantuan akan menggandakan biaya penggunaan, jadi penghantar dengan antena tunggal dan penyampai mungkin lebih berguna untuk aplikasi volum tinggi. Bahan bangunan dalam biasa mempunyai sedikit kesan pada medan RF, jadi sistem kuasa RF tanpa wayar berbilang bilik adalah mungkin. Mengingat pilihan desain, frekuensi radio PCB sistem kuasa tanpa wayar boleh dirancang untuk memenuhi keperluan berbeza banyak aplikasi di banyak pasar menegak. Kuasa tanpa wayar frekuensi radio bukanlah teknologi masa depan, tetapi teknologi yang sedang digunakan, yang akan dilambangkan dengan cepat dan diterima pada skala besar dalam masa depan yang dekat.