Giriş: Neden S Parametreleri Kablosuz Güç Transferinde Önemlidir

Kablosuz güç transferi (WPT) sistemleri, günlük teknolojilere yönelik laboratuvar curiositelerinden taşındı, akülü akıllı telefon şarjını sağladı ve elektrikli araçların şarj edilmesine asla ihtiyaç duyan tıbbi implantlar.Tam olarak talep edilen bir radyo-fret (RF) mühendisliği meydan okuması: Bir ağdaki her portta enerji verimli bir şekilde transfer edin.Bu meydan okumayı kullanarak, dinamik ölçüm parametrelerini - S parametrelerini kullanarak - tam olarak mikrodalga ağ analizi için geliştirilmiş olan resmi bir test.

Bu makale, WPT'deki S parametrelerinin rolünü araştırıyor, temel tanımlardan ileri ölçüm teknikleri ve gerçek dünya uygulamaları yoluyla.S-parametre ölçümleri hakkında tek bir set nasıl olacağını göstereceğiz - bir vektör ağı analizörü (VNA) ile elde edilir - doğrulayıcılık eşleştirme, darbeleme katını, bant kalitesi faktörü ve genel bağlantı verimliliğini ortaya çıkar.Sonunda, S-parametre parametrelerinin kablosuz güç sistemi tasarımı hakkında ciddi bir şekilde neden vazgeçilmez olduğunu anlayacağız.

S Parametrelerin Temelleri: Bir Yenileme

1960'larda tanıtıldı, olay arasındaki lineer ilişkiyi tanımlar ve RF ağı limanlarında gerilim dalgaları yansıtılır. Aksine, (Z) veya kabul edilebilirlik (Y) parametreleri, açık-cirler veya kısa devreler gerektiren antenler - yüksek frekanslarda pratik olarak -S parametreleri referans olarak ölçülür, genellikle 50 ULL. Bu onları genişleyen mikrodalga devrelerin genişleyen karakterizasyonu için eşsiz bir şekilde uygun hale getirir.

İki kanal ağı için, saç teli matrisi:

[ b1 ] [ S11 S12 ] [ a1 ]
[ b2 ] = [ S21 S22 ] [ a2 ]

İşte, a1 ve a2 limanlarda 1 ve 2 numaralı olay gücü dalgalarıdır, b1 ve b2 yanlı dalgalardır. dört S parametre sezgisel fiziksel anlam taşır:

  • [FONT=0)S11: [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN
  • [FONT:0)S21: [Dönder: [Dönder: 1/01/2012] Devreye gelen güç kesimleri, düşük ekleme kaybı ve güçlü darbeleme gösterir.
  • [FONT:0)S12:[Dön iletim katsayısı – genellikle S21'e karşılıklı pasif ağlar için eşit, birçok analizde vazgeçer.
  • [[DÜŞÜNCÜ:0)S22: [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ: 0:1) Çıktık yansıma katsayısı - Port 2'de engelli maç, alıcı-saygıda eşleştirme ağı tasarımı.

Her S parametre frekansı ile karmaşık bir sayıdır, mühendislere ağın işletim bandında nasıl davrandığını görselleştirmesine izin verir. titiz bir giriş için, [[Ücretsiz giriş için, [[Üye Olmayan Wikipedia Girişi:0]

Kablosuz Güç Transferi İki-Port Ağı Olarak

Tipik bir WPT sistemi – endüktif, rezonans veya kapasiteye sahip – lineer bir iki kanal ağı olarak soyutlanabilir.The verici ki (plus its driving source) port 1; alıcı bant (çalıştığında) 2. The elektromanyetik darbeleme, parasitic kapasitances and kayıplarla birlikte, bu soyutlama matrisi tanımlar.Bu soyutlama sistemi lineer rejimde çalışır, ki bu en pratik WPT uygulamaları kapsar.

S11 ve S21'den itibaren mühendisler doğrudan iki temel performans ölçümlerini değerlendirir:

  • [FONT:0)Power transfer kapasitesi:[[DÜDÜT:1] |S21|[DÜDÜ:2)[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ) mevcut kaynak gücüne göre, bir eşleştirilmiş yüke göre teslim edilen gücü temsil eder.
  • [FONT=0]Impedance maç kalitesi:[DÜDÜT:2|) düşük bir S11 (in dB, tipik olarak aşağıda – 10 dB), yükselticiye geri dönmeden ziyade ağa girdiğinden emin olur.

Ancak, ham |S21| doğrudan doğru sistem gücü transfer verimliliğini (PTE) eşit değildir, çünkü gerçek WPT yükü - doğrusal olmayan dürtülere sahip bir reaktif - VNA'nın 50 GU referansına bağlı olarak tanımlanan gerçek PTE, DC girişi gücü tarafından bölünmüş, örneğin, yenidenlayıcı ve yükselticiler dahil olmak üzere tüm zinciri modellemek gerekir. Yine de, S parametreler daha sonraki aşamalara bağlı olan temel RF bağlantı karakterizasyonu sağlar. Formal yöntemler yayınlanır; örneğin WPT:0

Impedance Matching and maximum Power Transfer

En yüksek güç transfer teoremi, yük engellendiğinde maksimum gücün teslim edildiği anlamına gelir.Bu ikili etkileşim S parametreler tarafından şık bir şekilde ele geçirilir.Bir WPT sisteminde, alıcı tarafında görülen etkili kaynak çift tırnakları tarafından dönüştürülür ve doğrudan vericinin yansıma katını etkiler.

Mühendisler S11'i, reaktif bileşenleri iptal eden ve istenen değeri (toplam 50 ULLAH) iyi tasarlanmış bir maç verileri S11'e sıfırın yakınında, yani neredeyse tüm güç çift güç kazanır. Benzer şekilde, S22 alıcının şarjını sağlamak için alıcının aranjectine en uygun yükü döndürür.Achieving eşen eşleştirme - her iki S11 ve S22 en aza indirmek için bir miktar doğrudan hesaplanır.

Uygulamada, sabit eşleştirme ağları sadece bir anahtar ayrımı ve hizalamada çalışır. Bir dizi pozisyon üzerinde ölçülen S11 kaymasının, neden detuning ve verimlilik çökmesine neden olur. Adaptif eşleştirme devreleri, varactors veya geçiş kapasiteleri kullanarak, gerçek zamanlı S-parametre izleme koşulları değiştirmek için en uygun bir araştırma alanıdır.Bu, elektrikli araçlarda ve robotikte dinamik WPT için sıcak bir araştırma alanıdır.

WPT için Anahtar S Parameter-Derived Metriks

Çiğ büyüklüktekilerin ötesinde, S-parametre veri kılavuz tasarım kararlarından birkaç tane elde edilen ölçüm:

  • [[Dönetici:0)Koupling kat ekstraksiyon: [Dönderden S matrix, dürtülü matris ve sonra darbe katlantılı kat hesaplamalı. Tipik bir yöntem S21 aşaması ve büyüklüğü bilinen bant genişliği ile birlikte kullanılabilir. Yüksek k ( 1) yüksek S21'e kadar yüksek S21'e kadar, dikkatli çalışma noktası seçimi gerektiren frekans bölmesine neden olabilir.
  • [FONT=0) Frekans optimizasyonu:[Döneticileri bir gruptan fazla olduğunda, |S21|Demek gerekirse, iki zirveyi gösterir. Bu zirvelerin frekansları (odd-mode ve hatta-mode resonances) bir gruptaki S21 ölçümle değiştirir,
  • [FONT:0)Könemli Q faktör tahminleri:[Dönetici:0) Bir tek bir kilit izolasyonun (Diğer bant kaldırıldığı) bir fonksiyonudur.
  • [FONT:0)Available kazanılabilir ve maksimum istikrarlı kazanç: S matrix kullanarak, mühendisler mevcut en yüksek kazanç (MAG) ve maksimum stabil kazanç (MSG) eşleştirilmiş koşullar altında güç transferinin teorik üst sınırlarını anlamak için.

Böylece, tek bir S-parametre ölçümleri seti, ustaca yorumlanır, WPT çiftleyicisinin tüm temel RF özelliklerini ortaya koyar.

Kablosuz Güç Bağlantılarının S Parametrelerini Ölçül

S parametrelerinin doğru ölçümü, sistemli WPT tasarımı için başlangıç noktasıdır. Bir vektör ağı istenen frekans aralığı ve önlemlere yansıyan ve yüksek dinamik aralıklarla dalgalar ile aktarılan bir dizi sunar. Tipik kurulum, verici bant 1 ve alıcıyı birbirine bağlayan port 2 ile birlikte bağlantı kurmak için bağlantı sağlar. ancak bu basit düzenleme, ele alınması gereken birkaç tuzak sunar.

Kalibrasyon ve De-embedding

Kalibrasyon, ölçüm referans uçağı düzenler. Standart bir SOLT (Short-Open-Load-Thru) kalibrasyonu VNA kablodaki referansları sona erer. Ancak WPT testinde gerçek cihaz, test altındaki S parametrelerini - test fikstürleri, balunlar veya port uzantıları ile bağlantı kurar.

Gerçekçi Çevrelerde Ölçme

WPT sistemleri asla kilitler yakınında bulunan ve S-parametre geçişinin etkisini kaydederek bant genişliğine sahip olan bir cihaz tasarımının veya tedarik edilen ürünlerin tasarımını tekrarlayabilir.Depişmanlık elektronikleri için, VNA ölçümlerinde bu koşulları, bir el phantom, bir insan yükleme işlemine bağlı olarak kullanılır.

Dinamik uygulamalar için, gerçek zamanlı S-parametre izleme, kompakt VNA-on-a-çip çözümleri veya WPT kontrolörüne entegre edilen analizciler için, S11'i sürekli olarak verici ölçümler ile algılar ve mikrosaniyeler içinde eşleme yapar.Bu kapalı-loop yaklaşımı, test notlarından ayrıntılı olarak doğrulayıcı liderlerde ayrıntılı olarak şunları ifade eder:0Keysight'ın yönlendirmeleri ile ilgili yönlendirmeleri), güç teslimatını sağlar.

Büyük Kayıt ve Yük-Pull Tahminleri

Önemli bir meydan okuma, S parametrelerinin düşük güçte ölçülmesidir (tipik VNA sürüş seviyeleri) Bu, mühendisler yük devretme tekniklerini kullanarak daha karmaşık ve doğru olmayan bir şekilde tekrarlamalar.Rektör olmayan düzeltmeler, istenen güç seviyesindeki hataların belirlenmesi için en uygun şekilde tasarlanmıştır.Bu işlem sırasındaki S parametrelerin daha karmaşık ve doğru bir şekilde işlenmesini sağlar.

Ortak ölçüm Pitfalls ve Them'dan Nasıl Kaçırılır

Dikkatli kalibrasyonla bile, birkaç ortak hata WPT Bantlarının S-parametre ölçümlerini bozabilir:

  • [FONT:0) Kalibrasyon sırasında uygulanabilir hareket:) Herhangi bir kablonun eğimi aşama hataları tanıtır.Dönemli kablolar kullanın ve tork wrenches ile tüm bağlantıları güvenlilayın.
  • [FONT=0)Improper port uzatması:[Döner 1: 1) adaptörler veya PCB izlerini eklediğiniz zaman, yanlış port uzatma değerleri referans uçağı değiştirir.İlginç uzunlukları VNA üzerinde zaman alan yansımaları (TDR) özelliği kullanarak genişletin.
  • [FONT:0]Küresel yüzeylere yakınlık: VNA'nın metal şasi ve yakın kablolar, S21 okumalarını değiştirmek için çiftebilir.Küreleri herhangi bir büyük metal nesnesinden en az 30 cm mesafeden yerleştirin.
  • [FONT:0) Yeterli bir şekilde: [Dönetici: [DDDDDD'de derin çıplaklıkta düşük sinyal seviyeleri gürültüde gömülü olabilir. VNA, resonant nulls yakınında en az 16 sübvansiyonunu artırmak için.

Tasarım ve Optimizasyon S Parametreleri kullanarak İş Akışı

WPT'deki S parametrelerinin kullanımı, üretim için erken simülasyondan genişletilebilir. Tipik bir iş içerir:

  1. [FONT=0]Electromanyetik simülasyon: [Dönetici: [Dönetici: 0,0] Full-wave çözücüler (örneğin, Ansys HFSS, CST Studio) S-parametreleri iki-port ağları için dokunmatik devreler için dokunmatik devreler için dokunmatik devreler (örneğin, anahtarsal ADS, AWR) ve kaynak yükselteçleri tasarlanır.
  2. [[Dönetici:0)Prototype ölçümü:[Döneticiler, VNA ölçümleri simülasyon ve ince-tune bileşeni değerlerinin doğrulanmasını onaylar. Diskrepancies genellikle PCB parasitics'den tam olarak modellenmez; S parametrelerin rafineri için simülasyona geri beslemesi gerekir.
  3. [[DÜSÜ:0)Link bütçe analizi: [DÜDÜDÜŞÜN, verilen bir gerileme cihazı ile tanışma gücü hesaplandı. Sistem verimliliği, çiftli S-parametre blokunu aynı faktörle ölçen güçlendirici ve verimliliğiyle projelendirilmiştir.
  4. [FONT:0)Compliance ve güvenlik doğrulaması:[Dönetici:0) E-field ve Hfield probes ile birlikte, S-parametre verilerinin doğrudan radyasyonu ölçemezken, bantların daha az tanımlanmış bir radyasyonla çalışmasını sağlar.

Örnek bir optimizasyon hedef olabilir |S21| ≥ -3 dB (% çiftleri aracılığıyla enerji transferi) ve S11 ≤ -15 dB, 6.78 MHz'de bir AirFuel resonant sistemi için.Eğer ölçümler göster |S21| = -5 dB ve S11 = -8 dB, kablolama değerleri ile bağlantı kurmalı tasarımda, sonra tekrar değerlendirmeler gerekir.

Pratik Uygulama Across Industries

Sparametre metodolojisi mikrowatt implantlardan kilovat araç şarj cihazına ölçekler. Her uygulama kendi frekans bandı, anahtar tasarımı ve düzenleyici kısıtlamalar sunar, ancak altta yatan RF karakterizasyonu evrensel kalır.

Elektrikli Araç Kablosuz Şarj

SAE J2954 standart işletim sistemini 85 kHz'de takip eden sistemler, 11 kW'a kadar teslim olun.Yerli kurul (transmitter) ve araç montaj (receiver) farklı üreticilerden şarj edilen iki kanal ağı olarak modellenir.Farklı hava boşluklarına dayanan Adaptive S parametreler (yaklaşık 250 mm) ve yük koşulları tanımlamak için, Sparametre verilerini kullanarak, farklı üreticilerden şarj edilen iki kanal ağı tasarlamak için yapılandırılır.

Tüketici Elektronik

Qi (WPC) şarj cihazı genellikle 87-205 kHz veya S11'in düşük kaldığı bir eşiği kontrol etmek için çalışır ve çeşitli el yerleştirmeleri altında telefonun S parametrelerini ölçmek gerekir, uygun testlerde VNA ölçümlerini kullanır |S21| işletim frekansına göre bir eşiği tutarken, S11'nin düşük kalır, karşılıklı olarak takip etmesi gerekir.

Tıbbi İmplantlar

En son sinir bozucu nöronları, hız vericileri ve kochlear implantlar, cilt üzerinden transkriptize WPT'ye güveniyor. ikincil bant genellikle biyo uyumlu enkapsülasyonda yerleştirilmiştir ve doku özellikleri (yüksek izin verme, iletkenlik) dramatik bir şekilde bant açmaz.S-parametreleri kullanarak ölçümler, gerekli olan yüksek çözünürlükte otomatik olarak yapılır.

Industrial and Drone Applications

Endüstriyel otomasyon, WPT güçleri dönen ekipman, robotlar ve otonom olarak yönlendirilen araçlar. rotasyonel yanlışlık açılarında ölçen S parametreler, darbelerin aksi halde %50 oranında düşmesine neden olabilir. Mühendisler bu verileri mevcut ISM grupları arasında frekanslamayı teşvik etmek için kullanılır (6.78 MHz, 13.56 MHz veya 27.12 MHz.

Meydanlar ve Gelişen Çözümler

Sence parametreleri vazgeçilmez olsa da, WPT'ye başvuruları engelsiz değildir. Bir VNA'yı anahtarlamalar ile bağlantı kurmanın çok eylemidir: VNA'nın 50 GU sonlandırmaları gerçek kaynak ve yük devretmeleriyle farklılaşır. Zaten yük-pull tekniklerini kısmi bir çözüm olarak tartıştık.Bir başka meydan okuma, gerçek bir diskoda en yüksek performans analizine izin verilen iki yüksek çözünürlükte sabit bir şekilde kontrol edilir.

Multipl Mix sistemleri (MIMO WPT) S-parametre konseptini N-port ağlarına doğru uzatıyor. İşte S31 gibi çapraz nokta, S23 eleştirel hale geliyor ve tek bir VNA'da ölçülmüş bir kurulumda ölçülmelidir.Bu veriler, kablosuz iletişimde matrisin yükseltilmesi için manyetik alanları yönlendirmek için sayısal hesaplamalar sağlar.

Ayrıca, aynı anda kablosuz bilgi ve güç aktarımının büyümesi (SWIPT), iki yüksek güç transferini ve geniş modülasyonu koruyan iki amaçlı çift için tasarım gerektirir. Saçma matris resmiliği doğal olarak bu kompozit sistemlere uzanır, bunun temel yansıma ve iletim fiziğinin yol aydınlatmaya devam etmesini sağlar. SWIPT'de, güç ve veri kanalları arasındaki izolasyon S21 tarafından farklı frekanslarda ölçülebilir ve mühendisler için amaçlanır >20 dB izolasyonu, yüksek güç taşıyıcısını tatmin etmek için.

Future Yol Tarifi

WPT daha yüksek güçlere, dinamik ortamlara ve daha yüksek frekanslara (daha küçük bantlara) hareket ettikçe, S parametrelerin optimal bir analitik aracı olarak kalacaktır. Yüksek hızlı, düşük maliyetli analiz cihazlarının varlığı doğrudan güç yönetimine (RNNs) S-parametre izleme yeteneğinin, son derece ölçütlü trendlere dayanan yüzde 2'lik artışları tahmin etme yeteneğinin, en uygun eşleştirme ağ eyaletlerini ve işletim frekanslarını anında tahmin edecek.

Dahası, WPT ve veri iletişimi arasındaki yakınlaşma, kablosuz güç çiftlerinin sınırlarını zorlayacaktır. Saçma matrisi resmi, güç transfer verimliliği ve sinyal bütünlüğü arasındaki ticarete uygun olacaktır.Bu gelişmelerle, S parametreler her ölçekte kablosuz güç transfer sistemlerinin tanımlanması, analiz edilmesi ve mükemmelleştirilmesi için kablosuz güç transfer sistemlerinin iletişimsel davranışının devam etmesi gerekir - ilk tezgah VNA gözlemleyici kontrol döngülerini sofistike bir şekilde optimize etmek ve S parametrelerini uygulamak için mühendislere izin verir.