Новости PCB - несколько аспектов радиочастотного беспроводного питания

за годы, people have been talking about the function of long-distance wireless power supply, и все больше. The technology has been verified and has been applied in many industries such as manufacturing, автоматизация зданий, отель. There are a variety of other short-range wireless charging technologies on the market, including Qi (inductive coupling) and magnetic resonance. Однако, the focus of this article will be on the various methods of PCB radio-frequency-based wireless power supplies to power devices over long distances.

Long-distance wireless power supply

радиочастотное беспроводное питание - это техника, использующая радиоволны для передачи электроэнергии на большие расстояния. эмиттер использует антенну для создания радиочастотного поля и распространения на антенну приемника. приемник захватывает часть радиочастотного поля и использует радиочастотный преобразователь постоянного тока для получения постоянного тока, питания электронного оборудования или зарядки батарей. радиочастотное беспроводное питание может быть реализовано различными способами, и многие решения по проектированию повлияют на производительность системы. с учетом всех переменных, радиочастотная сеть беспроводного питания предлагает метод удаления проводов и батарей из многих устройств, с которыми мы сталкиваемся каждый день.

радиочастотная передача мощности в дальнем поле описывается уравнением Фриза.

среди них PR - приемная мощность, PT - излучающая мощность, GT (T, T) - коэффициент усиления передающей антенны под углом, GR (R, R) - коэффициент усиления приемной антенны под углом, PT - длина волны, R - расстояние между передающей антенной и приемной антенной, т - коэффициент отражения передающей антенны, [r - коэффициент отражения приемной антенны, п - Пикс - это вектор поляризации передающей антенны, п - Пикс - р - вектор поляризации приемной антенны. в целом, если эмиттер и приемник совпадают с вектором поляризации и находятся в основном излучающем луче, то уравнение упрощается следующим образом:

это равенство указывает на обратное отношение приёмной мощности к квадрату расстояния, что означает, что если расстояние удвоится, то мощность приёма уменьшится в четыре раза. это понятно, учитывая, что мощность распространяется на поверхности шара R2 в зоне А = 4.

Еще одним фактором передачи радиочастотной мощности является прямое отношение получаемой мощности к квадрату отключения или обратное отношение к квадрату частоты. Это означает, что, если все другие переменные будут одинаковы, низкочастотный сигнал даст больше мощности, чем высокочастотный сигнал. например, рассматривается возможность предоставления эмиссионной антенне усилителя мощностью 1 Вт радиочастоты с усилением 4 или 4 вт. на заданном расстоянии 915 МГц - дипольных антенн получают мощность примерно в 7 раз больше, чем дипольных антенн 2,4 ГГц.

по сравнению с частотой 5.8GHz, мощность около 40 раз.

Разница в мощности обусловлена тем, что с увеличением частоты эффективная площадь антенны уменьшается. дипольная антенна обычно составляет 2 / 2 длины. с увеличением частоты физический захват антенны уменьшается. Однако плотность S не зависит от частоты.

уравнение 3 показывает, что распространение лучистой энергии на поверхности сферы не связано с частотой. эффективная площадь антенны (также известная как площадь захвата) определяет размер получаемой мощности. Это объясняет, почему при тех же условиях 5,8 ГГц отключается "/ 2 дипольных антенн меньше энергии, чем 915мгц отключается" / 2.

эффективная площадь антенны Ae прямо пропорциональна ее усилению.

A higher-gain antenna can be used to increase the capture area, Но антенна с высоким коэффициентом усиления за ориентацию. Depending on the application, точная направленность антенны не всегда выгодна. One way to bypass this potential burden is to use multiple antennas and RF-DC converters to increase the overall capture area. However, this solution also increases the cost of the receiver due to the additional hardware. Это объясняет, почему перед проектированием системы важно приблизительно определить производительность и проектные ожидания.

уравнение Фриза действует только в дальнем поле, поэтому важно определить границы между ближним и дальним полем. широко распространенным методом является определение положения, при котором параллельные лучи близки к началу отказа, т.е. плоская волна означает, что получающая антенна видит постоянную амплитуду и фазу колебаний в отверстии (диаграмма 1). В общем, фазовая погрешность в приёмной апертуре рассматривается как допустимое приближение плоской волны 8 или 22,5 град. она создает общую границу между ближним и дальним полем:

из них D является максимальным размером антенны или решетки, r - расстояния между эмиттером и приемной антенной, а в выключении - длиной волны.

Figure 1 The spherical wave approximates the far-field boundary of a plane wave.

Рисунок 2.

Диаграмма 3.

фокус пучка, величина горячей точки мощности

В некоторых случаях Целесообразно сфокусировать радиочастотное поле на приемной антенне, чтобы увеличить пропускную способность. Это может быть достигнуто несколькими путями, как правило, путем усиления плотности энерговыделения на дальнем поле (рис. 2) или вблизи поля (рис. 3). технология дальнего поля обычно называется формированием луча или управлением лучом, что достигается с помощью антенны с высоким коэффициентом усиления или антенной решетки, сфокусированной на бесконечном расстоянии для получения направленного луча. направление луча контролируется механической или электронной ориентацией сигнала на приемную антенну. при фокусировке вблизи поля антенная решетка обычно фокусирует каждый элемент антенны на конечную точку в близком поле, чтобы создать очаг плотности радиочастот, и последующее поле каждой антенны расходится в дальнем поле за пределами горячей точки.

для формирования луча в дальнем поле важно понять пределы энергии радиочастоты "фокусировка". размер луча и область фокусировки всегда больше физического размера передающей антенны. сосредоточение луча из каждой антенной ячейки на бесконечно удаленных точках в дальнем поле означает, что свет является параллельным, как показано на рисунке 2. Однако в соответствии с нормами ширины луча в дальнем поле, изложенными в таблице данных коммерческой антенны, каждый излучатель антенны будет распространяться с дистанции. отверстия узкого луча начинаются с минимального размера антенны и расширяются по мере ее распространения. Таким образом, если эмиссионная решетка составляет 1 квадратный метр, то луч никогда не будет менее 1 квадратного метра, что имеет важное значение при излучении радиочастотной мощности на приемную антенну меньше, чем у передающей антенны. Хотя формирование луча действительно позволяет концентрировать больше радиочастотной мощности на приемной антенне, значительная часть формирующегося луча может находиться за пределами требуемой зоны захвата.

In the case of near-field focusing, Каждая антенна излучает луч, сходящийся в одном месте вблизи поля, образуя локальную горячую точку с высоким коэффициентом радиоактивностиплотность мощности PCB, as shown in Figure 3. The -3dB (half power) size of the hot spot can be as small as slightly less than λ/2. Depending on the size of the receiving antenna, размер горячей точки можно сравнить с размерами приемной антенны. If the sizes of the two are similar, более эффективная связь между передатчиком и приёмником. However, из - за тесной связи программы, the system should be simulated and designed as a whole, То есть, the transmitting antenna and the receiving antenna. Потому что антенна близко, their impedance will change, амплитуда и фаза поля, проходящего через приёмную антенну, могут быть неоднородными. Although the design of the far-field antenna has a consistent amplitude and phase in its capture area (that is, it is assumed to be a plane wave), typical antenna design practices may not be suitable for near-field operation, Поэтому моделирование системы имеет решающее значение для оптимизации решения проблемы беспроводного питания вблизи поля. Performance is critical.

дистанционная и ближняя фокусировка может обеспечить более высокую мощность радиочастотной передачи. However, достижение этого будет сопряжено с трудностями, which tends to increase costs. Решение фокусировки луча может включать механическое или электронное наведение, such as motors or amplitude and phase adjustment circuits. Увеличение издержек затрудняет доказывание преимуществ беспроводной связи. Since transmitters with a single antenna and amplifier are much smaller and cost less than beam focusing solutions, Этот метод в большей степени применим к крупномасштабным видам применения.

строительные материалы

Since the radio frequency wireless power is transmitted through various dielectric materials, антенна может быть встроена в продукт, because no line of sight is required between the transmitter and the receiver. Это также означает, что радиодатчики могут быть постоянно встроены в строительные материалы и размещены за стеной. Typical indoor building materials (such as gypsum board) are "RF-friendly", как мы узнали из популярности Wi - Fi.

Considering the influence of walls on radio frequency wireless power transmission, некоторые характеристики влияют на передачу мощности. All dielectric materials have dielectric constant (ie, relative dielectric constant) and loss tangent. Generally, характеристики диэлектрика - это потеря или затухание радиосигналов, распространяемых через него. эта потеря имеет отношение к тангенсу угла потери материала. For materials like gypsum board, тангенс угла потерь может быть очень низким, while for masonry materials like bricks and concrete, касательная потерь будет больше. Since the dielectric constant of the material is greater than the dielectric constant of indoor air, Эта разница создала интерфейс между СМИ, resulting in the refraction and reflection of waves on the surface of the material.
отражательная мощность и угол отражения зависят от поляризации волны относительно плоскости падения, описанной уравнением френеля. Для простоты, the following equation assumes a lossless, немагнитная среда.
Among them, RS - коэффициент отражения мощности вертикальной поляризации, RP is the power reflection coefficient of parallel polarization, Не смей врать, что я под углом падения, θt is the angle of the refracted wave, KMT1 и KM2 - диэлектрическая постоянная двух диэлектриков.
These equations show the reflected and transmitted power at the interface (Figure 4). когда угол падения меньше 60 градусов, 80% or more of the radio frequency wireless power can be transmitted to the wall. Интересно, что, in the case of parallel polarization, 100% радиочастотной мощности может быть передано в стены под углом брюстера.
Because the панель PCBОн не был неразрушающим, и были созданы два интерфейса: комната вошла в гипсовый лист, гипсовая плита вошла в воздух сзади., моделирование использования Ansys HFSS поможет визуально увидеть, как гипсовая плита влияет на укладку лоток. The scheme consists of 12.гипсовая плита толщиной 8 мм, εr=2.19, Все нормально..0111, антенна с вибратором.5 meters away from the wall. The amplitude of the electric field (E field) of a 4×2 m vertical polarization plane of incidence is plotted. To facilitate comparison, Удалить стену и повторить моделирование. These figures show a top-down view of the incident plane.
Не удалить пользовать пользовать пользоваÑ, однородное кольцо. In Figure 5a, the part of the ring where the incident angle is close to zero (that is, directly down from the dipole) shows results similar to the example without walls, because the incident angle is small and the gypsum board reflects little. на крутом углу справа и слева диполя отражательное поле е выше, causing more distortion. отражательная волна создает конструктивные и разрушительные помехи основному полю диполя. Examining these two images, из - за относительно низкой диэлектрической проницаемости гипсокартона, there is very little RF reflection, Поэтому эти два моделирования имеют схожее электрическое поле. The simulation confirmed that the radio frequency wireless power supply can be realized in a non-line-of-sight situation. передающая антенна и принимающая антенна, power can also be transmitted, относительная Незащищенность от препятствий.
in conclusion
The radio frequency wireless power supply can be realized in many ways. из - за сложности каждой среды, various system parameters can be adjusted to meet the needs of individual applications. Вообще говоря, low frequency signals have greater radio frequency power throughput. размер приемной продукции обычно определяет максимальный размер антенны, Это определяет минимальную частоту передачи электроэнергии. Although electrically small antennas can be used, У этих антенн очень узкая полоса, making them unsuitable for mass production because manufacturing tolerances can cause changes in the resonance frequency.
сосредоточение радиочастот на близком или дальнем поле дает другой способ увеличить пропускную способность. However, объединение нескольких антенн в одну решетку с вспомогательным электронным оборудованием удвоит расходы на развертывание, so a transmitter with a single antenna and amplifier may be more advantageous for high-volume applications. стандартный интерьер строительных материалов почти не влияет на радиочастотное поле, so multi-room RF wireless power systems are possible.
рассмотреть проект, thePCB radio frequency wireless power system can be designed to meet the different needs of many applications in many vertical markets. радиочастотное беспроводное питание не является будущей технологией, but a technology currently being deployed, в ближайшем будущем ожидается быстрое расширение и широкое внедрение.