RF Wireless Power: A to Z

Charles Greene，Powercast Corporation，美国宾夕法尼亚州匹兹堡

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多年来，人们一直在谈论远距离无线电源的功能，并且越来越感兴趣。该技术已经得到验证，目前已经在制造业、楼宇自动化和酒店等许多行业得到应用。市场上还有各种各样的其他短距离无线充电技术，包括Qi（电感耦合）和磁共振。然而，本文的重点将是基于射频的无线电源为设备远距离供电的各种方法。

远距离无线供电

射频无线电源是一种利用无线电波进行远距离功率传输的技术。发射器使用天线产生射频场，并向接收器的天线传播。接收器捕获部分射频场，并使用射频到直流转换器产生可用的直流电，为电子设备供电或为电池充电。射频无线电源可以用多种方式实现，许多设计决定会影响系统的性能。当考虑到所有变量时，射频无线电源网络提供了一种方法，可以从我们每天遇到的许多设备中去除电线和电池。

在远场使用射频的无线功率传输可以用Friis方程来描述。

其中P_R为接收功率，P_T为发射功率，G_T(θ_T,φ_T)为角度相关的发射天线增益，G_R(θ_R,φ_R)为角度相关的接收天线增益，λ为波长，r为发射天线和接收天线之间的距离，Γ_T为发射天线反射系数，Γ_R为接收天线反射系数，p̂_T为发射天线极化矢量，p̂_R为接收天线极化矢量。一般情况下，假设发射机和接收机匹配，具有相同的极化矢量，且处于主辐射波束中，将方程简化为：

这个方程表明，接收功率与距离平方成反比，也就是说如果距离增加一倍，接收功率就减少4倍。考虑到功率是在面积为A=4πr²的球体表面上传播的，这可以理解。

射频无线功率传输的另一个因素是接收功率与λ的平方成正比或与频率的平方成反比。这意味着低频信号将比高频信号提供更多的接收功率，假设所有其他变量都相同。例如，考虑一个放大器向增益为4的发射天线提供1 W的射频功率，即4 W EIRP。在给定距离上的915 MHz的偶极天线将比2.4 GHz的偶极天线多接收约7倍的功率。

而与5.8GHz的频率相比，功率约为40倍。

这种功率的差异是因为随着频率的增加，天线的有效面积在减小。偶极子天线一般长λ/2，随着频率的增加，天线的物理捕获面积变小。然而，功率密度S与频率无关。

公式3显示了辐射功率在球面上的传播与频率无关，天线的有效面积，也称为捕获面积，决定了接收功率的大小。这就解释了为什么在相同条件下，5.8GHz的λ/2偶极子天线比915MHz的λ/2天线捕获的能量少。

天线的有效面积A_e与其增益成正比。

更高增益的天线可以用来增加捕获面积，但高增益的天线是以方向性为代价的。根据不同的应用，精确的天线方向性并不总是有利的。绕过这一潜在负担的一种方法是使用多天线和RF-DC转换器来增加整体捕获面积。然而，由于额外的硬件，这种解决方案也增加了接收器的成本。这说明了为什么在设计系统之前大致确定性能和项目预期是很重要的。

Friis方程只在远场有效，所以确定近场和远场的边界很重要。一个常用的方法是确定平行射线近似开始失效的地方，即从发射天线发出的波可以近似为入射接收天线的平面波。平面波意味着接收天线在其孔径上看到的是一个恒定的振幅和相位（图1）。通常，在接收孔径上的π/8或22.5度的相位误差被认为是平面波的一个可接受的近似值，这就产生了近场和远场之间的共同边界：

其中D为发射或接收天线或阵列的最大尺寸，r为发射和接收天线之间的距离，λ为波长。

图1 球面波近似平面波的远场边界。

图2 远场聚焦。

图3 近场聚焦。

波束聚焦、功率热点大小

在某些应用中，将射频场聚焦到接收天线上以最大限度地提高功率吞吐量是有利的。这可以通过几种方式实现，通常是通过射频功率的远场聚焦（图2）或近场聚焦（图3）来提高功率密度。远场技术通常被称为波束成形或波束导向，通过高增益天线或使用天线阵列在无限远处聚焦产生定向波束来实现。波束的方向是通过机械或电子方式将信号导向接收天线来控制的。在近场聚焦的情况下，天线阵列通常将每个天线单元聚焦到近场的一个有限点，以产生射频功率密度的热点，每个天线的后续场在热点之外的远场发散。

对于远场波束成形，重要的是要了解"聚焦"射频能量的限制。波束的大小和聚焦区域将始终大于发射天线的物理尺寸。将来自每个天线单元的射线聚焦在远场的无限点，意味着射线是平行的，如图2所示。然而，从每个天线单元发出的射线将根据市售天线数据表中的远场波束宽度规格随距离传播。窄波束的孔径开始于天线的最小尺寸，并随着它的传播而扩散。因此，如果发射阵列是1平方米，波束永远不会小于1平方米，这在向比发射天线小的接收天线发送射频功率时非常重要。虽然波束成形确实能将更多的射频功率集中到接收天线上，但成形的波束的很大一部分可能在所需捕获区域之外。

在近场聚焦的情况下，每根天线发出的射线汇聚在近场的某一点上，形成一个高射频功率密度的局部热点，如图3所示。热点的-3dB（即半功率）大小可以小到略小于λ/2。根据接收天线的尺寸，热点的尺寸可以与接收天线的尺寸相当。如果二者的尺寸相近，则可以在发射器和接收器之间实现更有效的耦合。但是，由于这种方案的耦合比较紧密，所以系统应该作为一个整体进行仿真和设计，也就是发射天线和接收天线。由于天线的距离很近，它们的阻抗会发生变化，穿过接收天线孔径的场的振幅和相位很可能不均匀。虽然远场天线的设计在其捕获区域内具有一致的振幅和相位（即假设为平面波），但典型的天线设计实践可能不适用于近场操作，因此系统仿真对于优化近场无线电源解决方案的性能至关重要。

远场和近场聚焦都可以提供更高的射频无线功率吞吐量。然而，实现这一点会带来复杂性，这往往会增加成本。波束聚焦解决方案可能包含机械或电子导向，如电机或振幅和相位调整电路。这种成本的增加使得无线效益难以得到证明。由于带有单天线和放大器的发射机比波束聚焦解决方案小得多，成本也低得多，因此这种方法对于大批量应用来说更加可行。

建筑材料

由于射频无线功率通过各种介电材料传播，天线可以嵌入产品内部，因为发射器和接收器之间不需要视线。这也意味着无线供电的传感器可以永久地嵌入到建筑材料中，并放置在墙后。典型的室内建筑材料（如石膏板）是"射频友好型"的，我们从Wi-Fi的普及中就知道了。

考虑到墙壁对射频无线功率传输的影响，有几种特性会影响功率传输。所有介电材料都有介电常数（即相对介电常数）和损耗正切。通常，介电材料的特点是它的损耗或它如何衰减通过它传播的射频信号。这种损耗与材料的损耗正切有关，对于像石膏板这样的材料，损耗正切可能相当低，而对于像砖和混凝土这样的砖石材料，损耗正切会更大。由于材料的介电常数大于室内空气的介电常数，这种差异在介质之间产生了一个界面，导致波在材料表面的折射和反射。

反射功率和反射角取决于波相对于入射面的偏振，由菲涅尔方程描述。为简化起见，以下方程假设为无损耗、无磁性的介质。

其中R_S为垂直极化的功率反射系数，R_P为平行极化的功率反射系数，θ_i为入射波的角度，θ_t为折射波的角度，ε₁和ε₂为两种介质的介电常数。

这些方程显示了接口处的反射和传输功率(图4)。入射角小于60度时，可以使80%或更多的射频无线功率传输到墙上。有趣的是，在平行极化的情况下，在布鲁斯特角下，100%的射频无线功率都能传输到墙体中。

图4 入射波在无损、无磁性石膏板边界上的传输和反射功率计算(ε_r=2.19)。

因为石膏板不是无损的，并且创建了两个界面：房间进入石膏板和石膏板到后面的空气，使用Ansys HFSS仿真有助于可视化石膏板如何影响传播。该方案由12.8毫米厚的石膏板组成，ε_r=2.19，tanδ=0.0111，一个915MHz发射偶极子天线位于离墙0.5米处。绘制了一个4×2米的垂直极化入射平面的电场（E场）的幅度（图5a）。为了便于比较，删除墙壁再重复仿真（图5b）。这些图显示了入射平面的自上而下的视图。

图5 有(a)和无(b)墙壁边界的E场幅值俯视图。

没有墙的仿真（图5b）显示出平滑、均匀的E场环。在图5a中，入射角接近零（即直接从偶极子向下）的环的部分显示的结果类似于无墙的例子，因为入射角小，石膏板的反射很少。在较陡的角度——在偶极子的最右边和左边——反射的E场较高，导致更多的扭曲。反射波对来自偶极子的主E场产生了建设性和破坏性的干扰。检查这两幅图像，由于石膏板的介电常数相对较低，射频反射极少，因此两个仿真具有相似的E场。该仿真证实了射频无线电源可以在非视线的情况下实现。即使用一堵墙将发射和接收天线隔开，也可以进行功率传输，相对不受障碍物的影响。

结论

射频无线电源可以用多种方式实现。由于每个环境的复杂性，可以调整各种系统参数以满足个别应用的需求。一般来说，低频信号具有更大的射频功率吞吐量。接收产品的尺寸通常决定了最大天线尺寸，这决定了功率传输的最低频率。虽然可以使用电小天线，但这些天线的带宽很窄，使得它们不适合大规模生产，因为制造公差会导致共振频率的变化。

将射频集中在近场或远场提供了增加吞吐量的额外方法。然而，将多根天线纳入一个带有辅助电子装置的阵列中，会使部署成本成倍增加，因此带有单根天线和放大器的发射机可能对大批量应用更有优势。标准室内建筑材料对射频场的影响很小，因此多房间射频无线电源系统是可能的。

考虑到设计选项，射频无线电源系统可以被设计成满足许多垂直市场中许多应用的不同需求。射频无线电源并不是未来的技术，而是目前正在部署的技术，在不久的将来会迅速扩展和大规模采用。