PCB新聞 - 射頻無線電源方面

多年來, 人們一直在談論遠程無線電源的功能, 變得越來越感興趣. 該科技已得到驗證，並已應用於許多行業，如製造業, 樓宇自動化, 和飯店. 市場上還有多種其他短距離無線充電科技, including Qi (inductive coupling) and magnetic resonance. 然而, 本文的重點將放在 PCB射頻-基於無線電源的遠距離供電設備.

遠程無線電源

射頻無線電源是一種利用無線電波進行遠距離電力傳輸的科技。 發射機使用天線產生射頻場並傳播到接收機天線。 接收器捕獲部分射頻場，並使用射頻-直流轉換器生成可用的直流電源，為電子設備供電或為電池充電。 射頻無線電源可以通過多種方式實現，許多設計決策將影響系統性能。 當考慮到所有變數時，射頻無線電源網絡提供了一種從我們每天遇到的許多設備上移除電線和電池的方法。

射頻在遠場的無線功率傳輸可用Fris方程描述。

其中PR是接收功率，PT是發射功率，GT（θT，ÏT）是角度相關的發射天線增益，GR（θR，ÏR）是角度相關的接收天線增益，λ是波長，R是發射天線和接收天線之間的距離ÎT是發射天線的反射系數， R是接收天線的反射係數，pÌИT是發射天線的極化向量，pÌИR是接收天線的極化向量。 通常，假設發射機和接收機匹配，具有相同的極化向量，並且位於主輻射波束中，則方程式簡化為：

該方程表明，接收功率與距離的平方成反比，這意味著如果距離加倍，接收功率將减少4倍。 考慮到功率是在面積為a=4ÏΝr2.的球體表面傳播的，這是可以理解的。

射頻無線功率傳輸的另一個因素是，接收功率與λ的平方成正比，或與頻率的平方成反比。 這意味著，假設所有其他變數相同，低頻訊號將提供比高頻訊號更多的接收功率。 例如，考慮向發射天線提供1 W射頻功率的放大器，其增益為4或4 W EIRP。 給定距離的915 MHz偶極子天線接收到的功率大約是2.4 GHz偶極子天線的7倍。

與5.8GHz的頻率相比，功率約為40倍。

這種功率差异是因為隨著頻率的新增，天線的有效面積减小。 偶極子天線一般為2/2長。 隨著頻率的新增，天線的物理捕獲區域變小。 然而，功率密度S與頻率無關。

方程3表明，輻射功率在球面上的傳播與頻率無關。 天線的有效面積（也稱為捕獲面積）决定了接收功率的大小。 這解釋了為什麼在相同條件下，5.8GHzλ/2偶極子天線捕獲的能量低於915MHzλ/2天線。

天線的有效面積Ae與其增益成正比。

高增益天線可用於新增捕獲面積，但高增益天線以方向性為代價。 根據應用情况，精確的天線方向性並不總是有利的。 繞過這一潜在負擔的一種方法是使用多個天線和RF-DC轉換器來新增總體捕獲面積。 然而，由於額外的硬體，該解決方案還新增了接收機的成本。 這就解釋了為什麼在設計系統之前，粗略地確定效能和項目期望很重要。

弗裏斯方程僅在遠場有效，囙此確定近場和遠場之間的邊界很重要。 常用的方法是確定平行射線近似開始失效的位置，即，從發射天線發射的波可以近似為入射到接收天線上的平面波。 平面波表示接收天線在其孔徑處看到恒定的振幅和相位（圖1）。 一般來說，接收孔徑處的相位誤差為Ï/8或22.5度被視為平面波的可接受近似值，這在近場和遠場之間形成了一個共同的邊界：

其中，D是發射或接收天線或陣列的最大尺寸，r是發射和接收天線之間的距離，λ是波長。

圖1：球面波近似於平面波的遠場邊界。

圖2：遠場聚焦。

圖3近場聚焦。

光束焦點、電源熱點大小

在一些應用中，將射頻場集中在接收天線上以最大化功率輸送量是有利的。 這可以通過幾種管道實現，通常通過射頻功率的遠場聚焦（圖2）或近場聚焦（圖3）來新增功率密度。 遠場科技通常被稱為波束形成或波束控制，這是通過使用高增益天線或使用天線陣列在無限遠處聚焦以產生定向波束來實現的。 波束方向通過機械或電子管道將訊號定向到接收天線來控制。 在近場聚焦的情况下，天線陣列通常將每個天線單元聚焦到近場中的有限點，以產生射頻功率密度的熱點，並且每個天線的後續場在熱點之外的遠場中發散。

對於遠場波束形成，瞭解“聚焦”射頻能量的限制非常重要。 波束大小和聚焦區域將始終大於發射天線的物理大小。 將來自每個天線單元的光線聚焦在遠場中的無窮遠點意味著光線平行，如圖2所示。 但是，根據商用天線資料表中的遠場波束寬度規格，每個天線單元發射的光線將隨距離傳播。 窄波束的孔徑從天線的最小尺寸開始，並在傳播時擴展。 囙此，如果發射陣列為1平方米，波束將永遠不會小於1平方米，這在向小於發射天線的接收天線發射射頻功率時非常重要。 儘管波束形成確實可以將更多的射頻功率集中在接收天線上，但成形波束的很大一部分可能位於所需捕獲區域之外。

在近場聚焦的情况下, 每個天線發射的射線在近場的某個點會聚，形成一個具有高射電率的局部熱點 PCB頻率功率密度, 如圖3所示. The -3dB (half power) size of 這個 hot spot can be as small as slightly less than λ/2. 取決於接收天線的大小, 熱點的大小可以與接收天線的大小相比較. 如果兩者的尺寸相似, 發射機和接收機之間可以實現更有效的耦合. 然而, 由於該方案的緊密耦合, 系統應作為一個整體進行類比和設計, 那就是, 發射天線和接收天線. 因為天線很近, 他們的阻抗會改變, 並且通過接收天線的孔徑的場的振幅和相位可能是不均勻的. 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), 典型的天線設計實踐可能不適合近場操作, 囙此，系統模擬對於優化近場無線電源解決方案至關重要. 效能至關重要.

遠場和近場聚焦都可以提供更高的射頻無線功率輸送量。 然而，實現這一目標會帶來複雜性，這往往會新增成本。 光束聚焦解決方案可能包括機械或電子制導，如電機或振幅和相位調整電路。 成本的新增使得很難證明無線的好處。 由於帶有單個天線和放大器的發射機比波束聚焦解決方案小得多，成本也低得多，囙此這種方法更適用於大容量應用。

建築材料

由於射頻無線電源通過各種介電材料傳輸，天線可以嵌入產品內部，因為發射機和接收機之間不需要視線。 這也意味著無線感測器可以永久嵌入建築材料中，並放置在牆後。 典型的室內建築材料（如石膏板）都是“射頻友好型”的，這一點我們從Wi-Fi的普及中就知道了。

考慮牆體對射頻無線功率傳輸的影響, 有幾個特性會影響功率傳輸. All dielectric 材料 have dielectric constant (ie, relative dielectric constant) and loss tangent. 通常地, 介電材料的特點是其損耗或如何衰减通過其傳播的射頻訊號. 該損耗與資料的損耗角正切相關. 用於石膏板等資料, 損耗角正切值可能很低, 而磚混等砌體資料, 損耗切線將更大. 由於資料的介電常數大於室內空氣的介電常數, 這種差异在媒體之間創建了一個介面, 導致波在資料表面的折射和反射.
反射功率和反射角取决於波相對於入射面的偏振度，由菲涅耳方程描述. 為了簡單起見, 以下等式假設為無損, 非磁性介質.
其中, RS是垂直極化的功率反射係數, RP是平行極化的功率反射係數, θi是入射波的角度, θt是折射波的角度, 和ε1和ε2是兩種介質的介電常數.
These equations show the reflected and transmitted power at the interface (Figure 4). 當入射角小於60度時, 80%或更多的射頻無線功率可以傳輸到牆上. 有趣的是, 在平行極化的情况下, 在布魯斯特角下，100%的射頻無線功率可傳輸至牆壁.
因為 PCB板 不是無損的，創建了兩個介面：房間進入石膏板，石膏板進入後面的空氣, 使用Ansys HFSS類比有助於視覺化石膏板如何影響排列. 該方案由12個部分組成.8 mm厚石膏板, µr=2.19, tanδ=0.0111, 915MHz發射偶極子天線位於0.離牆5米. The amplitude of the electric field (E field) of a 4*2 m vertical polarization plane of incidence is plotted. 便於比較, 删除牆並重複類比. 這些圖顯示了入射平面的俯視圖.
不帶牆的類比顯示平滑, 均勻電場回路. 在圖5a中, 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, 因為入射角很小，石膏板反射很小. 偶極子最右側和最左側的角度越陡，反射的E場越高, 導致更多失真. 反射波對偶極子的主電場產生建設性和破壞性干擾. 檢查這兩個影像, 由於石膏板的介電常數相對較低, 射頻反射很小, 所以這兩個類比有相似的電場. 模擬結果表明，射頻無線電源可以在非視線情况下實現. 即使使用牆分隔發射天線和接收天線, 也可以傳輸功率, 相對不受障礙物影響.
in conclusion
The radio frequency wireless power supply can be realized in many ways. 由於每個環境的複雜性, 可以調整各種系統參數以滿足各個應用的需要. 一般來說, 低頻訊號具有更大的射頻功率輸送量. 接收產品的尺寸通常决定天線的最大尺寸, 確定電力傳輸的最低頻率. 雖然可以使用電小型天線, 這些天線的頻寬很窄, 使其不適合大規模生產，因為製造公差可能導致共振頻率的變化.
將無線電頻率集中在近場或遠場提供了新增輸送量的另一種方法. 然而, 將多個天線與輔助電子設備合併到一個陣列中將使部署成本加倍, 囙此，具有單個天線和放大器的發射機對於大容量應用可能更為有利. 標準室內建築材料對射頻場影響不大, 囙此，多室射頻無線電源系統成為可能.
考慮設計方案, the PCB射頻 無線電力系統的設計可以滿足許多垂直市場中許多應用的不同需求. 射頻無線電源不是未來的科技, 但目前正在部署一項科技, 將在不久的將來迅速擴大並大規模採用.