PCB Haberleri - RF kablosuz güç teslimatının aspektleri

Yıllardır insanlar uzun uzakta bezsiz güç teslimatının fonksiyonu hakkında konuşuyor ve daha çok ilgileniyor. Teknoloji doğrulandı ve üretim, otomatik in şaatı ve oteller gibi birçok endüstri içinde uygulandı. Qi (induktiv bağlantı) ve manyetik rezonans dahil pazarda diğer kısa menzil beziz yükleme teknolojileri var. Ancak, bu makalenin odaklanması, uzun uzaklardan elektrik cihazlara, PCB radyo frekansı tabanlı beziz güç temsilleri üzerinde olacak.

Uzun uzakta kablosuz enerji temsili

Radyo frekansı kablosuz gücü, uzak uzakta elektrik transmisi için radyo dalgalarını kullanan bir teknolojidir. Transmitör bir radyo frekans alanı oluşturmak ve alıcının antenine yayılmak için anteni kullanır. Alıcı RF alanının bir parçasını yakalayıp elektronik aygıtlara veya batteriye yüklemek için kullanılabilir DC gücünü oluşturmak için RF-DC dönüştürücüsü kullanır. RF kablosuz gücü birçok şekilde uygulanabilir ve birçok tasarım kararları sistem performansına etkileyecek. Tüm değişkenler düşünüldüğünde, RF kablosuz güç a ğları, her gün karşılaştığımız birçok cihazdan kabloları ve batterileri çıkarmak için bir yol sağlar.

Uzak alandaki radyo frekanslarını kullanarak kablosuz güç transmisi Friis denklemi tarafından tanımlanabilir.

PR'nin alınan gücü olduğu yerde, PT yayılan gücüdür, GT (θT, ϱ134T) açıdan bağlı yayılan anten kazanması, GR (θR, Ï 134R) açıdan bağlı anten kazanması, Î" dalga uzunluğudur, r yayılan anten ve alan anten. Î 147 arasındaki mesafe, yayılan antenin yansıma koefitör üdür. ±147;R, aldığı antenin yansıtma koefitörüdür, p ̱T, yayılan antenin polarizasyon vektörüdür ve p̱R, aldığı antenin polarizasyon vektörüdür. Genelde, transmitör ve alıcı eşleştirildiğini tahmin ediyoruz, aynı polarizasyon vektörü var ve ana radyasyon ışığında, denklem basitleştirilir:

Bu denklem, alınan gücünün uzağın karesine tersiyle proporsyonal olduğunu gösteriyor. Yani mesafe ikiye katılırsa, alınan gücünün 4 kere azaltılması demektir. Gücünün A=4πr2 bölgesinde bir sfer yüzeyinde yayıldığını düşünürsek, bu anlaşılabilir.

Radyo frekanslarının bezsiz güç transmisinin başka bir faktörü ise, alınan güç Î karesine uyumlu ve tersi frekansların karesine uyumlu olması. Bu, düşük frekans sinyallerinin yüksek frekans sinyallerinden daha fazla güç sağlayacağını anlamına gelir. Diğer değişkenler aynı olduğunu tahmin ediyoruz. Örneğin, 1 W RF gücünü 4 veya 4 W EIRP kazanmış transmit antene için sağlayan bir amplifikatör olarak düşünün. Bir mesafede 915 MHz dipol anteni 2,4 GHz dipol anteninden yaklaşık 7 kat daha fazla güç alacak.

5,8GHz frekansiyle karşılaştığında güç yaklaşık 40 kere.

Bu gücün farkı, çünkü frekans arttığında antenin etkili bölgesi azaltır. Dipol antene genelde λ/2 uzun. Frekans arttığında antenin fiziksel yakalama alanı daha küçük olur. Ancak güç yoğunluğu S frekanslardan bağımsızdır.

3 denklem, küfrek yüzeyinde radiasyon gücünün yayılması frekanslardan bağımsız olduğunu gösteriyor. Antenin etkili bölgesi, yakalama bölgesi olarak bilinen, alınan gücün büyüklüğünü belirliyor. Bu, neden 5.8GHz λ/2 dipol antenna aynı koşullarda 915MHz Î'den daha az enerji yakaladığını açıklıyor.

Antenin etkileyici bölgesi Ae'nin kazanlığına uygun.

Yakalama alanını arttırmak için yüksek kazanç anteni kullanılabilir ama yüksek kazanç anteni yönlendirme maliyeti üzerinde gelir. Uygulama bağlı, kesin anten yöntemi her zaman faydalı değil. Bu potansiyel yükünü geçirmek için bir yol, genel yakalama alanını arttırmak için çoklu anten ve RF-DC dönüştürücülerini kullanmak. Ancak bu çözüm, alıcının arttığı donanım yüzünden de maliyetini arttırır. Bu sistemi tasarlamadan önce neredeyse performans ve proje beklemelerini belirlemek için önemli olduğunu a çıklıyor.

Friis denklemi sadece uzak alanda geçerli, yani yakın alan ve uzak alan arasındaki sınırı belirlemek önemlidir. Genelde kullanılan bir yöntem, paralel ışık yaklaşımının başarısız olmaya başladığını belirlemek, yani yayılan antenen'den yayılan dalgalar, aldığı anten üzerinde uçak dalgaları olay olarak yaklaşınabilir. Uçak dalgası, alın anteninin sürekli amplitüsü ve fırsatı (1. figür) göründüğünü anlamına gelir. Genelde, aldığı a çıkta π/8 ya da 22,5 derece faz hatası uçak dalgasının kabul edilebilir ve yakın alan ve uzak alan arasındaki ortak sınırı oluşturur:

D'nin gönderme veya anten veya tablo alınmasının en büyük ölçüsü olduğu yerde r, gönderme ve gönderme anteninin arasındaki mesafetidir, ve Î dalga uzunluğudur.

1. Şekil Kuzey dalgası uçak dalgasının uzak alan sınırını yaklaşıyor.

2. Uzak alanın odaklanması.

3. Şekil yakın alanda odaklanmış.

Ateş odaklanması, güç sıcak nokta boyutu

Bazı uygulamalarda, RF alanı, elektrik geçmişini arttırmak için aldığı antene üzerinde odaklanmak faydalı. Bu, genellikle uzak alan odaklanması (2. figür) veya yakın alanın (3. figür) RF gücünün gücünü arttırmak için fokuslanması ile başarılanabilir. Uzak alan teknolojisi genelde, yüksek kazanç anteni kullanarak ya da anten takımını kullanarak uzaktan uzaklaştırmak veya ışık yönünde bir ışık oluşturmak için konsantre etmek için sağlayan ışık yönlendirmesi denir. Ateşin yöntemi mekanik veya elektronik şekilde alın antene sinyali yönlendiriyor. Yakın alan odaklanması durumunda, anten alanı genelde her anten elementini yakın alandaki sınır noktaya odaklanır, radyo frekans güç yoğunluğunun sıcak noktasını oluşturmak için, ve sonraki antenin alanı sıcak noktadan uzak alanda değişir.

Uzak alan ışık formlaması için "fokuslanma" RF enerjinin sınırlarını anlamak önemlidir. Ateş boyutu ve odaklama alanı her zaman yayılan antenin fiziksel boyutundan daha büyük olacak. Uzak alandaki sonsuz noktadaki her anten elementindeki ışınları fokuslandırmak, 2. Şekil olarak gösterilen ışınlar paralel olduğu anlamına gelir. Ancak, her anten birimden yayılan ışınlar, ticari olarak bulunan anten veri çarşafında uzak alan ışınlık genişliğin in belirlenmesine göre uzakta yayılacak. Kısa ışığın açılışı antenin en küçük boyutundan başlar ve yayılır. Bu yüzden, yönlendirme alanı 1 kare metre olursa, ışığı asla 1 kare metreden daha küçük olmayacak. Bu, RF gücünü yayılan antenen'den daha küçük bir antene gönderdiğinde çok önemli. Ateş formasyonu gerçekten daha fazla radyo frekansı gücünü alın antene üzerinde konsantre edebilir, şekillenmiş ışığın büyük bir parçası istekli yakalama alanının dışında olabilir.

Yaklaşık alan odaklanmasında, her anten tarafından yayılan ışınlar, yakın alandaki belli noktada yerel sıcak nokta oluşturmak için, görüntü 3'de gösterilen yüksek radyo PCB frekans güç yoğunluğu ile yüksek bir radyo sıcaklığı vardır. Sıcak noktasının -3dB (yarı güç) boyutu Î'den biraz az olabilir»/2. Alıcı antenin boyutuna bağlı, sıcak nokanın boyutunu alın antenin boyutuna karşılaştırılabilir. Eğer ikinin ölçüleri benzerse, transmitör ve alıcı arasında daha etkili bir bağlantı elde edilebilir. Ancak, bu taslağın sıkı bağlantısı yüzünden sistem tamamen simüle edilmeli ve tasarlanmalı, yani yayılan anten ve alıcı anten. Antenalar çok yakın olduğundan beri, imfazları değişecek ve alanın amplitüsü ve fazı, aldığı antenin açısından geçtiğinde muhtemelen eşit olmayacak. Uzak alan anteninin tasarımı, yakalama bölgesinde sürekli bir genişliğin ve fazı vardır (yani, uçak dalgası olarak kabul ediliyor), tipik anten tasarımın praksisi alan yakın operasyonuna uygun olabilir, bu yüzden sistem simülasyonu yakın alan beziz elektrik çözümlerini iyileştirmek için önemlidir. Performans kritik.

Hem uzak alan hem yakın alan odaklanması daha yüksek radyo frekansızlığı kablosuz güç geçirmesini sağlayabilir. Ancak, buna ulaşmak karmaşıklığı getirir, bu da maliyeti arttırır. Ateş odaklama çözümleri motorlar, amplitud ve faz ayarlama devreleri gibi mekanik veya elektronik yönlendirmeler dahil olabilir. Bu maliyetin artması kablosuz faydalarını kanıtlamak zorlaştırır. Tek anten ve amplifikatör ile yayınlayıcılar ışık odaklanması çözümlerinden çok daha küçük ve pahalıdır, bu yöntem yüksek ses uygulamaları için daha mümkün.

Bina materyalleri

Radyo frekansiyeti kablosuz gücü çeşitli dielektrik materyaller üzerinden yayıldığından beri, anten ürün içine girebilir, çünkü transmitör ve alıcı arasında görüntü çizgi gerekmez. Bu da kablosuz güçlü sensörler bina maddelerinde kalıcı olarak yerleştirilebilir ve duvarların arkasında yerleştirilebilir. Bizim bildiğimiz gibi tipik iç bina maddeleri (çipsüm tahtası gibi) Wi-Fi'nin popülerliğinden "RF arkadaşlıdır".

Radyo frekansiyeti kablosuz güç transmisi üzerinde duvarların etkisini düşünerek, güç transmisini etkileyen birçok özellikler var. Bütün dielektrik materyallerin dielektrik konstantleri (yani, relativ dielektrik konstantleri) ve kaybı tangentleri vardır. Genelde, bir dielektrik materyali kaybıyla karakter ediliyor ya da radyo frekans sinyalini nasıl yayılıyor. Bu kaybı materyalin kaybı tangensiyle bağlı. Çipsüm tahtası gibi materyaller için kaybı tangens oldukça düşük olabilir, ama döşemeler ve beton gibi masonry materyaller için kaybı tangens daha büyük olacak. Materialin dielektrik konstantüsü iç havanın dielektrik konstantüsünden daha büyük olduğundan beri bu fark medya arasındaki bir arayüz yaratır. Materialin yüzeyindeki dalgaların refraksyonu ve yansıması sonuçlarına sebep olur. Yükselmiş güç ve yansıtma açısı olay yüzeyine karşı dalgaların polarizasyonuna bağlı ve Fresnel denklemi tarafından tanımlanır. Basitliğine göre, bu denklem, kayıp olmayan, manyetik olmayan bir ortamda tahmin ediyor. Aralarında RS, dikey polarizasyon güç refleksiyonun koefitörüdür, RP paralel polarizasyon güç refleksiyonun koefitörüdür. Ve ε1 ve ε2, iki medya'nın dielektrik konstantlerindir. Bu denklemler arayüzünde yenilenmiş ve yayılmış gücü gösteriyor (Figure 4). Olay açısı 60 dereceden az olduğunda, radyo frekanslarının %80 ya da fazlasını duvara gönderebilir. Parallel polarizasyon durumunda, radyo frekanslarının %100'ünü Brewster'ın açıs ı altında duvara gönderebilir. Çünkü PCB tahtası kaybedilmeyen değil ve iki arayüz oluşturulmuş: oda gipsum tahtasına ve gipsum tahtasına arkadaki havaya girer, Ansys HFSS simülasyonu kullanarak çipsum tahtasının nasıl etkilendiğini görüntülemeye yardım eder. Şema 12,8 mm kalın plasterbordu, εr=2,19, tan δ=0,0111 ve 915MHz dipol antenini dağıtır, duvardan 0,5 metre uzakta bulundur. 4*2 m dikey polarizasyon uça ğının elektrik alanın (E alanının) amplitüsü çizdirildi. Karşılaştırma kolaylaştırmak için duvarı silip simülasyonu tekrar etmek için. Bu rakamlar olay uça ğının üst aşağıdaki görüntüsünü gösterir. Duvarsız simulasyon düzgün ve üniformalı E alanın dönüsünü gösterir. 5.a Şekilde, olay açısı 0'ya yakın olduğu yüzük parçası (yani dipole'dan doğrudan aşağı) duvarsız örneklere benzer sonuçları gösteriyor, çünkü olay açısı küçük ve gipsum tahtası küçük görünüyor. Dipol'un sağ ve sol tarafındaki çelik açılarda refleks edilen E alanı daha yüksektir ve daha fazla bozukluğa sebep ediyor. Yükselmiş dalga, dipole'dan ana E alanına yapıcı ve destekli bir araştırma yaratır. Bu iki görüntüyü incelemek, çipsüm tahtasının dielektrik constant relatively düşük olduğundan dolayı, çok küçük RF refleksiyonu var, bu yüzden iki simulasyonun aynı e-alanı vardır. Simülasyon, radyo frekansiyonun kablosuz güç tasarımının görüntü olmayan bir durumda gerçekleşebileceğini doğruladı. Bir duvar yayılan ve alın anteneleri ayrılmak için kullanılırsa bile, güç da yayılabilir, yaklaşık engeller tarafından etkilenmiyor. Her çevrenin karmaşıklığı yüzünden, bireysel uygulamaların ihtiyaçlarını yerine getirmek için çeşitli sistem parametreleri ayarlanabilir. Genellikle konuşurken, düşük frekans sinyallerinin radyo frekans gücü geçmesi daha büyük. Alıcı ürünün büyüklüğü genellikle enerji transmisi için en düşük frekansiyonu belirliyor. Elektrik olarak küçük antenler kullanılabilir olsa da, bu antenlerin bandı genişliği çok kısa, onları kütle üretim için uyumsuz kılıyor çünkü üretim toleransları resonans frekansiyetinde değişikliklere sebep olabilir.Yakın veya uzak alanda radyo frekanslarını konsantre etmek yakın veya uzak alanda arttırma metodu sağlar. Ancak, yardımcı elektroniklerle birçok anten birleştirmek için kullanım maliyetini ikiye katlayacak, böylece tek anten ve amplifikatörü yüksek volum uygulamaları için daha faydalı olabilir. Standart iç bina maddeleri RF alanına ufak etkisi vardır, bu yüzden çoklu oda RF kablosuz elektrik sistemleri mümkün olabilir. Tasarım seçeneklerine bakılırsa, PCB radyo frekansı „kablosuz elektrik sistemi” birçok dikey pazarda birçok uygulama ihtiyaçlarına uygulayabilir. Radyo frekansı kablosuz gücü gelecek teknoloji değil, ama şu and a kullanılan bir teknoloji, yakın gelecekte hızlı genişletilecek ve büyük ölçekte kabul edilecek.