Система сбора энергии СВЧ-диапазона

УДК 621.3

СИСТЕМА СБОРА ЭНЕРГИИ СВЧ-ДИАПАЗОНА Е.В.Кузьмин, С.В.Платонов*, М.А.Хаванова, Р.В.Петров SYSTEM OF ENERGY HARVESTING OF MICROWAVE RANGE

E.V.Kuz'min, S.V.Platonov*, M.A.Khavanova, R.V.Petrov

Институт электронных и информационных систем НовГУ, 7777744444@mail.ru *ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород

Проведено исследование характеристик системы сбора энергии СВЧ-диапазона. Разработаны структурные схемы и изготовлены стенды для измерения диаграмм направленности антенн и исследования зависимости передачи напряжения от расстояния. Разработан конвертер и проведены измерения его технических характеристик. Для проведения исследования были выбраны четыре типа антенн: дипольная, полосковая, рупорная и параболическая антенна. В результате проведенного исследования было выявлено, что из четырех рассмотренных антенн преимуществом по дальности передачи энергии обладает параболическая антенна. Достигнутое значение потенциала на приемном устройстве составило 22,8 мВ на расстоянии 9,1 м. Полученные результаты позволяют реализовать систему передачи энергии в небольшом производственном помещении или комнате.

Ключевые слова: система сбора энергии, устройство преобразования энергии, радиохарвестер, конвертер RF-DC, СВЧ устройства

This paper is devoted to the development of the microwave energy harvesting system. The block diagram of the system was developed and stands for measuring antenna patterns and studying the transmission voltage dependence on distance were made. The converter was designed and measurements of its characteristics were carried out. To perform the study there were selected four types of antennas: dipole, strip, horn, and parabolic ones. The study revealed that, of the four considered antennas, the parabolic antenna has the advantage in distance of energy transfer. The achieved value of the potential on the receiving device is about 23 mV at the distance of 9.1 m. The obtained results allow implementing the energy harvesting system in a small industrial premise or room. Keywords: energy harvesting system, energy conversion device, radioharvester, converter RF-DC, microwave devices

1. Введение

Системы сбора энергии (Энергособиратели или Energy Harvesters) представляют значительный интерес для питания беспроводных систем и компонентов, т.к. допускают длительную и безотказную работу без вмешательства человека, обеспечивают значительные преимущества в отношении характеристик, надёжности и цены. В настоящее время они успешно применяются в беспроводных системах, дополняя или даже замещая батарейные устройства для питания датчиков, исполнительных механизмов, трансиверов, регистраторов и т.д. [1]. Это сравнительно новое направление в электронике, в первую очередь злободневное для систем, при эксплуатации которых замена батарей осложнена или просто невозможна, и вместе с тем требуется обеспечить их непрерывную работу в труднодоступном для потребителя или обслуживающего персонала месте. Энергособиратели предназначены для преобразования энергии разных источников, представленной в различных формах (механической, тепловой, оптической, электромагнитной и пр.), в электрическую энергию. Сбор энергии, ее накопление и использование для питания электронных систем позволяет обеспечить большую продолжительность их работы, значительно превышающую срок службы одноразовых элементов питания. Не исключается также возможность комбинированного использования различных

источников энергии (тепловой и механической, а также других видов). В энергособирателях для сбора энергии используются разные технологии преобразования. Например, для использования энергии вибрации применяются пьезоэлектрические преобразователи, для аккумулирования солнечной энергии — фотоэлектрические, тепловой — термоэлектрические. Таким образом, энергособиратели — это устройства, обеспечивающие преобразование различных видов энергии в напряжение или ток для питания приборов и устройств, а также для зарядки аккумуляторов [2]. В последние годы быстрыми темпами развивается технология беспроводной зарядки аккумуляторов, в которой используются разные способы беспроводной (бесконтактной) передачи электроэнергии с применением искусственных электромагнитных источников.

Цель исследования, проводимого в данной работе: разработать систему сбора энергии СВЧ диапазона, конвертер для преобразования СВЧ сигнала в постоянный ток и определить предпочтительный тип антенн для работы системы на небольших расстояниях.

2. Обзор технологий, использующих энергию СВЧ-диапазона

В последние годы были созданы международные отраслевые объединения по разработке и продвижению спецификаций, а также компонентов и оборудования для беспроводной зарядки — это консорциум

Рис.1. Технологии беспроводной передачи электроэнергии, используемые для построения устройств зарядки аккумуляторов

Wireless Power Consortium (WPC), а также альянсы Power Matters Alliance (PMA) и Alliance for Wireless Power (A4WP). В консорциум WPC, основанный в 2008 г., входит более 200 компаний, в их числе: Fair-child Semiconductor, Foxconn, Freescale Semiconductor, Huawei Technologies Co., Ltd., и др. Задача консорциума — разработка спецификаций маломощных беспроводных устройств электропитания и зарядки аккумуляторов, а также соответствующей технологии. В конце 2010 г. консорциум представил первые спецификации, предусматривающие беспроводную передачу электроэнергии мощностью до 5 Вт. Спецификации получили название Qi 1.0 (Quality Interface) [3].

Возможные варианты технологии беспроводной передачи электроэнергии, используемые для зарядки аккумуляторов, приведены на рис.1.

В настоящее время наибольшее распространение получили устройства беспроводной зарядки, в которых для передачи энергии используется индуктивная связь. Вначале были разработаны устройства, в основу создания которых положен метод магнитной индукции (Magnetic Induction — MI), а в последнее время ряд компаний готовится приступить к производству устройств, в которых используется магнитно-резонансный метод (Magnetic Resonant — MR).

В статье [4] рассмотрено устройство передачи и сбора радиоэнергии на частоте 2,44 ГГц, разработана структурная схема передатчика и приёмника, описана экспериментальная установка. Проведенный эксперимент показал возможность передачи СВЧ мощности на расстояние и преобразования СВЧ сигнала в постоянное напряжение, которое в дальнейшем может быть использовано в различных электронных схемах.

3. Измерение диаграмм направленности антенн

Для извлечения максимального количества энергии необходимо знать, вдоль какого направления распределяется энергия в каждой из исследуемых антенн. Определить направление распределения максимума энергии можно с помощью диаграмм направленности. Таким образом, получение диаграмм направленности исследуемых антенн — это одна из приоритетных задач исследования.

Для того, чтобы определить направление максимума излучаемой мощности, необходимо измерить диаграммы направленности антенн. Для исследова-

ния были выбраны четыре типа антенн: дипольная, полосковая, рупорная и параболическая антенны. Все исследованные антенны были настроены на резонанс на частоте 2,44 ГГц. Расчет и разработка полосковой антенны рассмотрены в статье [4]. Дипольная антенна была изготовлена из отрезка медной проволоки и закреплена на разъёме типа SMA таким образом, чтобы плечи были равной длины и составляли по 3,15 см с каждой стороны. Рупорная антенна была изготовлена в лаборатории. Параболическая антенна была приобретена.

Для измерения диаграмм направленности был разработан и собран стенд, состоящий из измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения (ИККПО) «0бзор-804», градуированной шкалы, на которую крепилась измеряемая приёмная антенна. Также к ИККПО была подключена приёмная дипольная антенна (антенна А1 типа TP-LINK TL-ANT2408CL) (рис.2).

А1

А2 —

Рис.2. Схема для измерения диаграммы направленности

На передающую антенну подавался сигнал мощностью 10 мВт на частоте 2,44 ГГц. Градуированную шкалу и закреплённую на ней передающую антенну располагали на расстоянии 2 м от приёмной антенны. С помощью градуированной шкалы проводилось измерение коэффициента направленного действия (КНД), изменяя угол расположения передающей антенны по отношению к приемной с шагом в 10 градусов. Полученные диаграммы направленности представлены на рис.3-7.

На рис.За представлена стандартная дипольная антенна для передатчиков типа Wi-Fi. На рис.Зб показана измеренная диаграмма направленности ди-польной антенны. Эта антенна использовалась в качестве приёмной антенны. Из диаграммы направленности видно, что максимум излучения не выражен, а сигнал находится на уровне -45 дБ.

Рис.3. Дипольная приёмная антенна: а — внешний вид, б — диаграмма направленности дипольной приёмной антенны

КНД, дБ 0°

340° -40 20°

-45

Рис.4. Дипольная антенна: а — внешний вид, б — диаграмма направленности дипольной антенны

На рис.4а представлена исследуемая дипольная передающая антенна для частоты 2,44 ГГц, которая имеет КСВ < 1,3. На рис.4б показана полученная диаграмма направленности для данной антенны. Из диаграммы направленности видно, что максимум излучения направлен перпендикулярно расположению диполя и равен приблизительно -46дБ.

На рис.5а показана полосковая антенна размерами 25,2^18,7 мм с длиной полоска от точки возбуждения до пластины 19,1 мм. Подложка выполнена на материале ФЛАН-10 (в = 10), размерами 30*39*1 мм. Снизу подложки нанесена металлизация. На рис.5б показана диаграмма направленности полосковой антенны, максимум излучения которой равен около -53 дБ.

?

ВКМнДш

а

Рис.6. Пирамидальная рупорная антенна: а — внешний вид, б —

На рис.ба, б представлена конструкция пирамидального рупора. В качестве материала для боковин антенны использован гофрированный картон, равномерно обклеенный фольгой. В одном из оснований для боковин вырезано отверстие под SMA-разъем, расположенный на расстоянии четверти длины волны (в нашем случае 33 мм) от узкой стороны в одной из четырёх трапеций рупора. Все четыре трапеции склеиваются таким образом, чтобы обеспечить непрерывную проводимость всей площади фольгиро-ванного покрытия. На рис.6б показана диаграмма направленности экспериментального образца пирамидальной рупорной антенны с пиком излучения энергии в точке около -44дБ.

ЬВДдБ 0°

340° -40 20°

240° 120°

220° 140°

200° 1ЯП0 160°

б

диаграмма направленности пирамидальной рупорной антенны

На рис.7а представлена параболическая антенна ТЬ-А№Г2424В 24 дБ 2.4 ГГц. На рис.7б — измеренная диаграмма направленности параболической антенны. Из диаграммы направленности видно, что максимум излучения направлен перпендикулярно поверхности антенны и равен -45 дБ.

4. Исследование зависимости передачи напряжения от расстояния

Вторым основополагающим аспектом извлечения энергии в системах сбора энергии является определение мощности потока энергии в зависимости от расстояния между передающей и принимающей ан-

Генер ПУ Аттен

атор — юатор

=£> V

Детек Конве

тор — ртер

Рис.8. Схема для измерения расстояния до устройства сбора энергии

теннами. Благодаря полученным и исследованным диаграммам направленности антенн были проведены замеры напряжения в точках максимального излучения энергии (рис.8).

На рис.9 представлены зависимости напряжения от расстояния передачи.

U. мВ

Рис.9. Зависимости напряжения от расстояния передачи. 1 — дипольная антенна, 2 — полосковая антенна, 3 — пирамидальная рупорная антенна

Из рис.9 видно, что из экспериментальных образцов антенн преимуществом по дальности передачи энергии обладает полосковая антенна.

и, мВ

70

60 50 40 30 20 10

°1234567 89 Х'М

Рис.10. Зависимость передачи напряжения от расстояния между приемником и передатчиком

При измерении выходного напряжения на детекторе в случае подключения к стенду параболической антенны получено максимальное значение напряжения 22,8 мВ на расстоянии 910 см. На

рис.10 представлена зависимость напряжения от расстояния для параболической антенны при усилении в 17 дБ. Также были проведены измерения распространения энергии в пространство параболической антенной, и были измерены зависимости напряжения вдоль направления максимума излучения от коэффициента усиления на расстоянии 100, 200 и 300 см. Зависимости напряжения от расстояния при разных коэффициентах усиления представлены на рис. 11.

U, мВ

Рис.11. Зависимость снимаемого напряжения от коэффициента усиления параболической антенны

На рис. 11 представлены три графика зависимости напряжения от коэффициента усиления на расстоянии: 1 — 100 см, 2 — 200 см, 3 — 300 см. Из полученных графиков видно, что напряжение обратно пропорционально расстоянию между передающей и принимающей антеннами при любых коэффициентах усиления.

5. Модуль преобразования и усиления входного сигнала

Для изготовления конвертора для системы сбора энергии была использована микросхема LTC3108 компании Linear Technology. Данная микросхема может преобразовывать минимальное входное напряжение от 20 мВ до 500 мВ на входе в напряжение от 2,5 до 5 В на выходе. Разработанный конвертер состоит из чипа LTC3108, к которому на вход подключается трансформатор CoilCraft LPR6235-752SML (1:100), а также конденсаторы. Схема устройства данного конвертера показана на рис.12а, а на рис. 12б представлена печатная плата в сборе.

На рис.13 показана зависимость напряжения на выходе от входного для изготовленной платы.

Рис.13. Зависимость выходного напряжения конвертера от входного

Из полученной зависимости видно, что микросхема способна работать от входного напряжения 20 мВ. Также видно, что при входном напряжении равном 100 мВ и выше, данный модуль выдает максимум преобразованного напряжения, равный 5 В.

На рис.14 показана зависимость выходного тока конвертера от входного напряжения. Эта зависимость позволяет судить о мощности, которую способен преобразовать конвертер и подобрать нужный режим заряда аккумуляторной батареи.

Рис.14. Зависимость выходного тока конвертера от входного напряжения

6. Теоретический подход к определению плотности потока энергии

Для определения параметров системы сбора энергии необходимо знать плотность потока энергии используемой антенны. Рассмотрим алгоритм расчета этой характеристики для различных типов антенн.

Расчетная формула для апертурной составляющей плотности потока энергии параболической антенны имеет вид [5]:

П = I0ig

+10lg ^^ + 10lg F(ub Xj)+10lg F(u2, x2) + 3, x2

PX PX na . ^ nb . ^

x1 =--, X2 =--, Mi = sin©, u2 =-r-sin©.

2a2 2b2 X X

P — мощность, излучаемая антенной, Вт; X — длина волны, м; a и b — стороны апертуры антенны; D0 — КНД антенны в направлении максимального излучения в волновой зоне; F(u,x) — нормированная ДН апертуры в координатах u,x; R,9 — сферические координаты расчетной точки; U = (na sin0)/X — обобщенная координата угла; х = R/Rip — относительное расстояние; Rrí¡ =2a /X; B(x) — функция, учитывающая изменение КНД апертуры в зависимости от относительного расстояния, рассчитывается при x = x1 и при x = x2 соответственно.

B(x) 4^2aC(u!) + (1- a)j[C(u2) + C(%)]coS Ц- + [S(u2) + S(%)]sin Ц-}] x [2a + ^(1 —^

4^— 2aS(u1) + (1 - a)|[C(2) + C(u3)]sin Ц- — [S(u2) + S(u3)] cos Ц- |j [2a + í(1 — a)]2

где M1 =

u2 = —^ + Vx, u3 = —^ — Vx,

2Vx 2^x

2-lx

2

fit

cos-r-dt — косинус интеграла Френеля, 2

fit

sin——dt — синус интеграла Френеля. 2

1

Плотность потока энергии в переднем полупространстве антенны типа пирамидальный рупор рассчитывается по следующей формуле:

П = 2(9, ф), Вт/м2,

4-пЯ1

где P — мощность, излучаемая антенной, Вт; F(9,ф) — характеристика направленности рупора; Ор — КНД рупора.

Значение КНД пирамидальной рупорной антенны рассчитывается по формуле [5]:

d = 8l

Dp ab

\(С(щ)-C(u2))2 +(S(u,) - S(U2))2](C2(U3)+S 2(из));

J_

-JkL a

a Ш

"72

SZ a

a Ш

u3 =

1 b

С(и1), С(и2), С(и3) — косинусы интеграла Френеля, ^(и1), S(u2), S(u3) — синус интеграла Френеля.

Заключение

В статье приведены результаты исследования характеристик системы сбора энергии СВЧ диапазона. Для проведения исследования были выбраны четыре типа антенн: дипольная, полосковая, рупорная и параболическая антенна. Три из них — рупорная, полосковая и дипольная — были изготовлены в лаборатории. Для всех типов антенн было проведено измерение диаграмм направленности, для чего был разработан и изготовлен специальный стенд. Была измерена мощность потока энергии в зависимости от расстояния между передающей и принимающей антеннами. В результате проведенного исследования было выявлено, что из четырех рассмотренных антенн, преимуществом по дальности передачи энергии обладает параболическая антенна. При исследовании зависимости передачи напряжения от расстояния было выявлено, что напряжение вдоль направления максимума излучения параболической антенны обратно пропорционально расстоянию между передающей и принимающей антеннами при любых коэффициентах усиления. Разработан конвертер для преобразования низкого уровня напряжения в напряжение 5 В и проведены измерения его технических характеристик.

Полученные результаты позволяют реализовать систему передачи энергии в небольшом производственном помещении или комнате.

Исследование проведено в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России №11.7069.2017/8,9.

1. Сысоева С.А. Устройства для беспроводного и безбатарейного питания автономных узлов // Электронные компоненты. 2011. №6. С.42-45.

2. System Description Wireless Power Transfer. V.I: Low Power. P.1: Interface Definition Version 1.1.2. June, 2013.

3. Охрименко В.А. Технология беспроводной зарядки // Электронные компоненты и системы. 2014. №7. С.17-24.

4. Кузьмин Е.В., Платонов С.В., Никитин А.О. и др. Исследование устройства сбора радиочастотной энергии // Вестн. Новг. гос. ун-та. Сер.: Технические науки. 2017. № 6(104). С.72-76.

5. МУК 4.3.1167-02 Определение плотности потока энергии электромагнитного поля в местах размещения радиосредств, работающих в диапазоне частот 300 МГц-300 ГГц. М., 2002.

References

1. Sysoeva S.A. Ustroistva dlia besprovodnogo i bezbatareinogo pitaniia avtonomnykh uzlov [Wireless nonbattery power supply devices for self-contained units]. Elektronnye kompo-nenty - Electronic Components, 2011, no. 6, pp. 42-45.

2. System Description Wireless Power Transfer. Volume I: Low Power. Part 1: Interface Definition. Version 1.1.2. June,

2013.

3. Okhrimenko V.A. Tekhnologiia besprovodnoi zariadki [Wireless charging]. Elektronnye komponenty i sistemy,

2014, no. 7, pp. 17-24.

4. Kuz'min E.V., Platonov S.V., Nikitin A.O., Khavanova M.A., Petrov R.V. Issledovanie ustroistva sbora radiochastotnoi en-ergii [The study of the radiofrequency energy harvesting device]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2017, no. 6(104), pp.72-76.

5. Methodological Instructive Regulations MUK 4.3.1167-02, 4.3. Metody kontrolia. Fizicheskie factory: Opredelenie plot-nosti potoka energii elektromagnitnogo polia v mestakh raz-meshcheniia radiosredstv, rabotaiushchikh v diapazone chas-tot 300 MGts - 300 GGts [Monitoring procedures. Physical factors: Determination of the power flow density for the electromagnetic field in the area of setting of radio equipment operating within the frequency range from 300 MHz to 300 GHz]. Moscow, 2002. 104 p.