Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Number: 2015 17 6 Bezdrátový přenos energie uvnitř automobilu In-car wireless power transfer Miroslav Cupal, Zbyněk Raida cupalm@phd.feec.vutbr.cz, raida@feec.vutbr.cz Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Abstrakt: Tento článek se zabývá bezdrátovým přenosem energie uvnitř automobilu. Pro přenos energie je využit princip šíření povrchové vlny po vnitřním povrchu karoserie automobilu s využitím planárních antén. Pozornost je věnována použitým anténám a vlivu blízké vodivé plochy na jejich vlastnosti. Dále je měřen přenos mezi anténami nad vodivou plochou a uvnitř automobilu. Abstract: The paper deals with wireless power transfer inside a car. For transfer of energy, we used the surface wave propagation along the inner surface of the car body. Surface waves have been excited using planar antennas. Attention was paid to used antennas and the influence of nearby conductive surfaces on their properties. Furthermore, we measured transmission between the antennas located above a conducting surface and inside a car.
Bezdrátový přenos energie uvnitř automobilu Miroslav Cupal, Zbyněk Raida Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: cupalm@phd.feec.vutbr.cz, raida@feec.vutbr.cz Abstrakt Tento článek se zabývá bezdrátovým přenosem energie uvnitř automobilu. Pro přenos energie je využit princip šíření povrchové vlny po vnitřním povrchu karoserie automobilu s využitím planárních antén. Pozornost je věnována použitým anténám a vlivu blízké vodivé plochy na jejich vlastnosti. Dále je měřen přenos mezi anténami nad vodivou plochou a uvnitř automobilu. 1 Úvod Automobilový průmysl produkuje technicky složitější automobily s větším množstvím elektroniky a elektronických senzorů pro zvýšení komfortu cestujících. S narůstajícím počtem senzorů roste množství použité kabeláže a tím cena a hmotnost automobilů. Proto je vhodné hledat možnosti zlepšení této situace. Jednou z možností je využití bezdrátového přenosu energie. V současnosti se bezdrátový přenos energie uplatňuje zejména pří nabíjení mobilních zařízení jako mobilních telefonů nebo sportovních náramků. V této práci se zabýváme bezdrátovým přenosem energie uvnitř automobilu na kmitočtu 8 GHz, pro napájení sítě senzorů umístěných v blízkosti karoserie automobilu s využitím planárních antén. 2 Antény Pro bezdrátový přenos energie uvnitř automobilu je vhodné využít různé typy antén pro vysílací a přijímací část kvůli rozdílným požadavkům na obě antény. Společnými požadavky jsou především malé rozměry, jednoduchá výroba a vertikální polarizace vyzařované vlny, jelikož při šíření povrchové vlny dochází k menšímu útlumu právě při vertikální polarizaci. Pracovní frekvenci obou antén jsme zvolili 8 GHz [1]. U vysílací antény je požadována všesměrová vyzařovací charakteristika v rovině antény (H) tak, aby byla energie dostupná ve všech částech automobilu. V rovině kolmé na plochu antény (E) je vhodná vyzařovací charakteristika podobná monopolu nad vodivou plochou. Splněním těchto požadavků bude dosaženo maximální vyzáření energie po povrchu karoserie a současně snížení vlivu elektromagnetického záření na posádku. U přijímací antény je všesměrová charakteristika nežádoucí, jelikož by mohlo docházet k úniku energie vlivem skládání přímé vlny a vln odražených od interiéru automobilu. Z tohoto důvodu jsme zvolili anténu s úzkým vyzařovacím lalokem. Dalším požadavkem na přijímací anténu je dobrá návaznost na planární obvody, případně možnost integrace antény a samotného senzoru. 2.1 Všesměrová vysílací anténa Vysílací anténa je prstencová štěrbinová anténa napájená pomocí vlnovodu integrovaného do substrátu. Koncept této antény byl převzat z článku [2]. Anténa je složena ze dvou vrstev, první je vrstva napájecí, zhotovená na substrátu Arlon 25N o relativní permitivitě ε r = 3,38 a tloušťce 0,762 mm. Tato vrstva obsahuje mikropáskové vedení pro připojení SMA konektoru, přechod mikropásek-siw a kruhovou vazební štěrbinu. Druhá vrstva je zhotovena na substrátu Arlon CuClad 217 o relativní permitivitě ε r = 2,17 a tloušťce 0,254 mm. Na této vrstvě je umístěna kruhová štěrbina, 5 zkratovacích kolíků a vazební štěrbina. Obě vrstvy jsou zobrazeny na Obrázku 1, rozměry antény jsou uvedeny v Tabulce 1. Celkové rozměry antény jsou 36 x 60 mm. z W L lt lmp y x W dd W Obrázek 1: Nákres vysílací antény Rezonanční kmitočet antény a směrové vlastnosti jsou dány zejména středním obvodem prstencové štěrbiny, který je dán poloměrem r 3 a umístěním pěti zkracovacích kolíků. Tyto kolíky jsou rozmístěny na pomyslné kružnici o poloměru r 2 s konstantním úhlovým krokem 72. Tabulka 1: Rozměry štěrbinové antény Rozměr W L v L mp L t L Hodnota [mm] 36 40 1,5 5 40,3 Rozměr W s W T d p W mp Hodnota [mm] 13,8 3,39 1,2 2,58 1,68 Rozměr W p r 1 r 2 r 3 d d Hodnota [mm] 1,6 9 7,2 8,77 0,8 2.1.1 Výsledky simulací a měření U antény jsme sledovali závislost činitele odrazu na frekvenci, směrové vlastnosti a polarizaci vyzářené vlny. Závislost činitele odrazu na frekvenci jsme zkoumali ve volném prostoru a v blízkosti kovové plochy tak, aby byl simulován vliv střechy automobilu. Na Obrázku 2 jsou zobrazeny průběhy činitele odrazu, které jsou dány simulacemi a experimentálním ověřením pro anténu umístěnou ve volném prostoru (-free) a pro anténu ve vzdálenosti 5 mm od vodivé plochy (-str). Tato vzdálenost byla dána použitým SMA konektorem. wsiw p w t w mp 180
-3 3 simulace měřeno -3 3 - - - -30-20 -10 0-10 Obrázek 2: Závislost činitele odrazu vysílací antény na frekvenci Pro obě testované konfigurace došlo k odchylce mezi simulovanými a měřenými výsledky. Rezonanční frekvenci antény ve volném prostoru jsme změřili f 0f = 8,018 GHz a šířku pásma BW f = 138 MHz. Po umístění antény do blízkosti kovové plochy došlo k posunu rezonanční frekvence na hodnotu f 0s = 7,984 GHz a zvětšení šířky pásma na BW = 192 MHz. Odchylky mezi simulovanými a měřenými hodnotami jsou dány zejména přesností sesazení vrstev tvořících anténu. Z tohoto důvodu je vhodné zakomponovat do návrhu antény sesazovací otvory pro přesnější sesazení obou vrstev. Směrové charakteristiky jsme simulovali v blízkosti nekonečné vodivé plochy a to pro různé vzdálenosti antény a vodivé plochy. Z hlediska ideálních směrových charakteristik je vhodné umístit anténu těsně k vodivé ploše. Maximum energie se potom šíří v blízkosti vodivé plochy a současně je eliminováno vyzařování do prostoru automobilu. - - -3 3 - Směrovost [dbi] 0 mm 2,5 mm 5 mm 7,5 mm 10 mm - - -3 - Směrovost [dbi] Obrázek 3: Směrové charakteristiky vysílací antény v blízkosti vodivé plochy Experimentální ověření tvaru směrových charakteristik jsme prováděli pouze v otevřeném prostoru měřením v bezodrazové komoře, měření směrových charakteristik v blízkosti vodivé plochy nebylo kvůli velkým rozměrům plochy možné provést. Při porovnání směrových charakteristik ve volném prostoru lze usoudit, že mezi simulacemi a měřením je velmi dobrá shoda. Dochází k nežádoucímu zvlnění směrové charakteristiky v rovině H, přesto anténa zachovává všesměrový charakter. Ostré změny viditelné v rozsahu - jsou způsobeny vlivem konektoru. V rovině E lze pozorovat výrazné potlačení zadního laloku a ostré minimum ve směru kolmém na plochu antény. 3 - Obrázek 4: Měřené směrové charakteristiky vysílací antény. Další sledovanou vlastností antény byla orientace vyzařované elektromagnetické vlny. Vzhledem k vlastnostem šíření vlny podél vodivého povrchu je velmi důležité zachovat vertikální polarizaci vlny. Na Obrázku 5 je zobrazena křížová polarizace. V rovině antény je křížová složka potlačena o 10 db pro anténu ve volném prostoru. 2.2 Trychtýřová anténa - Obrázek 5: Zobrazení křížové polarizace Jako přijímací anténu jsme zvolili planární trychtýřovou anténu. Výhodou této antény je zachování vertikální polarizace, malé rozměry a snadná vyrobitelnost. Nevýhodou jsou směrové vlastnosti v rovině E. Návrh antény jsme provedli podle vztahů uvedených v [3]. Základní rozměry trychtýřové antény jsou uvedeny na Obrázku 6. Anténa je vyrobena na substrátu Arlon 25N o tloušťce 0,765 mm a relativní permitivitě ε r = 3,38. Pro tuto anténu by byl vhodnější substrát s větší tloušťkou, jelikož by bylo dosaženo větší šířky pásma a větší směrovosti antény v E rovině. Vzhledem ke snaze nezvyšovat počet použitých substrátů v celé aplikaci, byl použit substrát použitý u předchozí antény. w siw R 0 R h Obrázek 6: Nákres trychtýřové antény w 181
Velikost ústí antény W je dána pracovním kmitočtem a zvolenou výškou pomyslného trojúhelníku, který tvoří trychtýřovou anténu. Tato výška byla zvolena na R 0 = 50 mm. Výpočet šířky W ideální trychtýřové antény je uveden v následujícím vzorci W = 3 λ R 0. (1) Dalším vypočteným rozměrem je délka strany pomyslného rovnoramenného trojúhelníka l h, která slouží jako pomocná veličina a spolu se šířkou vlnovodu slouží pro výpočet délky trychtýře R H. Tyto vzorce jsou l H = R 2 0+( W 2 2 ), (2) R H =(W w siw ) l H W 1 4. (3) Pro zlepšení vlastností antény jsme využili planární rezonátory, které se umístí před ústí vlnovodu. Tyto rezonátory zvětšují šířku pásma antény a zlepšují předozadní poměr [4]. Pro tuto anténu jsme zvolili dva rezonátory v základním provedení jejichž šířku l r jsme vypočítali podle vztahu (4), [5]. f r 0 = c c = 2 L eq ε r 2 l r (1+0,7 h (4) ) ε l r r Celkový nákres antény včetně vyznačených rozměrů je uveden na Obrázku 7, rozměry antény jsou uvedeny v Tabulce 2. lmp l t lsiw Rh lr lr posunutí rezonanční frekvence antény jak ve volném prostoru (8,01 GHz), tak v blízkosti vodivé plochy (7,99 GHz). Šířka pásma antény je potom rovna BW = 19 MHz. I přes posunutí rezonančního kmitočtu se přizpůsobené oblasti charakteristik u antén překrývají a lze je tedy použít pro přenos energie. Obrázek 8: Závislost činitele odrazu na frekvenci trychtýřové antény Směrové charakteristiky antény ve volném prostoru jsou zobrazeny na Obrázku 9. Výsledek simulace je zobrazen zeleně, červený průběh je výsledek měření. Z naměřených výsledků vyplývá zmenšení zisku antény v přímém směru proti simulaci až o 3 db. - -3 3 simulace měřeno - -3 3 - - Wmp wt wsiw d w wr wa s 0 s 1 Obrázek 7: Nákres s rozměry trychtýřové antény Tabulka 2: Rozměry trychtýřové antény Rozměr W mp W t l mp l t W a Hodnota [mm] 1,68 3,39 5 5 40 Rozměr l r W siw l SIW R H W r Hodnota [mm] 9,1 13,8 6 38,7 36 Rozměr p d s 0 s 1 W Hodnota [mm] 2,24 1,2 0,2 0,31 34,88 - - Obrázek 9: Směrové charakteristiky trychtýřové antény ve volném prostoru Pokud je anténa umístěna do blízkosti vodivé plochy dochází ke změně vyzařovacích charakteristik. V rovině E je charakteristika omezena vodivou plochou a zároveň dochází k poklesu šířky hlavního laloku na 65. V rovině H lze pozorovat výrazný nárůstu zadního laloku a výrazné symetrizaci charakteristiky. 2.2.1 Výsledné parametry trychtýřové antény Anténu jsme opět navrhli na pracovní kmitočet 8 GHz a tento pracovní kmitočet měl být zachován i v případě umístění antény do blízkosti vodivé plochy. Průběh činitele odrazu je zobrazen na Obrázku 8 pro stejné kombinace jako u vysílací antény. Především z naměřených hodnot je patrné Obrázek 10: Směrové charakteristiky trychtýřové antény v blízkosti vodivé plochy 182
3 Přenos energie Pro zhodnocení kvality přenosu energie jsme provedli simulace přenosu mezi dvěma anténami umístěnými nad nekonečnou vodivou plochou pro různé vzdálenosti antén. Tyto vzdálenosti se pohybovaly v rozsahu od 20 do 100 cm. Antény jsme simulovali v blízkosti vodivé plochy o konečných rozměrech 120 x 100 cm. Výsledky simulace přenosu mezi dvěma vysílacími anténami jsou zobrazeny na Obrázku 11. Přenos mezi dvěma vysílacími anténami se pohybuje na pracovním kmitočtu 8 GHz v rozsahu -43 db pro vzdálenost antén 20 cm po -67 db pro vzdálenost antén 1 m. Obrázek 13: Přenos pro různé kombinace antén nad vodivou plochou Obrázek 11: Simulace přenosu mezi dvěma vysílacími anténami Průběh činitele přenosu mezi dvěma trychtýřovými anténami v závislosti na frekvenci je zobrazen na Obrázku 12. Přenos byl simulován se stejnými parametry jako v předchozím případě. Pro vzdálenost antén 20 cm je hodnota přenosu rovna -29 db. Nejmenší hodnota přenosu je pro vzdálenost antén 1 m rovna -64 db. Dále jsme měřili přenos mezi vysílací a přijímací anténou uvnitř automobilu škoda Octavia. Vysílací anténu jsme umístili do zadní části střechy automobilu (označení zeleným písmenem V). Přijímací trychtýřovou anténu jsme umístili na různá místa v automobilu (červená čísla 1 5) tak, aby bylo možné zhodnotit vliv umístění antény na dosažené výsledky. Ilustrativní znázornění rozmístění antén v automobilu je uvedeno na Obrázku 14. Trychtýřovou anténu jsme vždy umístili tak, aby směřovala přímo na vysílací anténu. 1 2 V 3 4 5 Obrázek 14: Umístění antén uvnitř automobilu Obrázek 12: Závislost činitele přenosu na kmitočtu trychtýřových antén Přenos energie jsme měřili v blízkosti rovinné vodivé plochy při vzdálenosti antén od plochy 5 mm a vzdálenostmi antén 1 m. Velikost vodivé plochy byla 140 x 120 cm. V tomto případě jsme ověřovali přenos mezi různými kombinacemi antén, tedy mezi dvěma vysílacími, dvěma přijímacími a přijímací a vysílací anténou v kmitočtovém rozsahu 7,9 až 8,1 GHz. Přenos na kmitočtu 8 GHz se pohybuje v rozmezí -54 až -56 db. V prvním případě jsme anténu umístili na palubní desku automobilu, ve druhém do blízkosti střechy u horního okraje předního okna. Ve třetím a čtvrtém případě jsme anténu umístili na přední respektive zadní sloupek automobilu. V pátém případě jsme anténu umístili uprostřed zadního okna. Fotografie umístění antény na palubní desce automobilu je uvedena na Obrázku 15. Vzdálenost mezi vysílací a přijímací anténou je pro jednotlivá měření uvedena v Tabulce 3. Tabulka 3: Vzdálenost mezi anténami pro jednotlivá měření v automobilu číslo měření Umístění antény Vzdálenost mezi anténami [cm] 1 palubní deska 150 2 elektronika u předního skla 120 3 přední sloupek 170 4 zadní sloupek 80 5 střed zadního okna 90 183
4 Závěr Obrázek 15: Fotografie umístění antény v automobilu Výsledky měření přenosu mezi anténami jsou zobrazeny na Obrázku 16. V článku byl popsán návrh vysílací a přijímací antény pro bezdrátový přenos energie uvnitř automobilu. Antény byly navrženy pro kmitočet 8 GHz, simulovány a následně měřeny základní parametry. Vysílací anténa je štěrbinová prstencová anténa s vyzařovacím diagramem podobným vertikálnímu monopolu nad vodivou plochou. Rezonanční frekvence antény je rovna f 0 = 8,018 GHz, šířka pásma antény je 138 MHz, v rovině H je anténa všesměrová. Byl změřen přenos mezi dvěma vysílacími anténami nad vodivou plochou na vzdálenost 1 m S 21 = -59 db. Přijímací anténa je trychtýřová anténa integrovaná do substrátu. Rezonanční frekvence antény je rovna f0 = 7,996 GHz a šířka pásma antény je rovna BW = 30 MHz. Byl změřen přenos mezi dvěma přijímacími anténami na vzdálenost 1 m S 21 = -56 db. Bylo provedeno měření přenosu uvnitř automobilu. Vysílací anténa byla umístěna v zadní části střechy a přijímací na 5 různých místech v automobilu. Přenos se pohyboval v rozmezí -50,9 db pro anténu umístěnou v přední části střechy po -64 db pro anténu umístěnou uprostřed zadního skla. Z naměřených hodnot vyplývá, že tato metoda přenosu energie je vhodná pro senzory s velmi nízkou spotřebou elektrické energie. Poděkování Popsaný výzkum byl realizován v laboratořích Centra SIX. Obrázek 16: Přenos mezi vysílací a přijímací anténou v automobilu Při umístění antény na palubní desce (měření č. 1) byl přenos na kmitočtu 8 GHz roven S 21 = -52,7 db. Trychtýřová anténa v této pozici nemířila přímo na anténu vysílací, ale do prostoru automobilu. Díky šířce hlavního laloku v rovině E (YZ) došlo k dobrému přenosu i při této skutečnosti. Při měření č. 5 byla anténa umístěna uprostřed zadního skla. Při tomto umístění byl změřený přenos roven S 21 = - 54,4 db. Při umístění trychtýřové antény u zadního sloupku byl naměřený přenos roven S 21 = -56,6 db. V tomto případě je vzdálenost mezi vysílací a trychtýřovou anténou nejmenší (80 cm). Ke zhoršení přenosu došlo vlivem vychýlení osy trychtýřové antény z přímé spojnice mezi anténami. Toto vychýlení bylo způsobeno tuhostí přívodního kabelu a nemožnosti umístění antény do správné polohy. Nejhoršího přenosu bylo dosaženo při umístění antény na sloupku u předního skla. Přenos při tomto měření (č. 3) byl na kmitočtu 8 GHz roven S 21 = -64 db. Tato hodnota je dána vzdáleností mezi anténami a zejména překážkami mezi anténami. Před ústím trychtýřové antény začínala část bočního airbagu. Dalším nedostatkem při tomto umístění bylo vychýlení osy antény z přímé spojnice mezi anténami, stejně jako v případě měření u zadního sloupku. Literatura [1] ČERNOHORSKÝ, D., NOVÁČEK, Z. Antény a šíření rádiových vln. Vyd. 1. V Brně: Vysoké učení technické, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav radioelektroniky, 2005. 146 s. ISBN 80-214-1943-1. [2] LÁČÍK, J., T. MIKULAŠEK. Circular ring-slot antenna fed by SIW for WBAN applications. 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2013. s. 213-216. Dostupné z: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articledetails.jsp? tp=&arnumber=6546248&querytext%3dcircular+ring-slot+antenna+fed [3] LECTURE 18: Horn Antennas(Rectangular horn antennas. Circu-lar apertures.)[online]. [cit. 2015-3-4] Dostupné z URL: http://www.ece.mcmaster.ca/faculty/nikolova/antenna_dload/curren t_lectures/l18_horns.pdf [4] ESQUIUS-MOROTE, Marc, Benjamin FUCHS, Jean-Francois ZURCHER a Juan R. MOSIG. A Printed Transition for Matching Improvement of SIW Horn Antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. IEEE, 2013, 61(4): 184
1923-1930. DOI: 10.1109/TAP.2012.2231923. ISBN 978-1-4244-6056-4. ISSN 0018-926x. Dostupné také z: http://ieeexplore.ieee.org/lpdocs/epic03/wrapper.htm?arnumber=6374212 [5] MOROTE, Marc Esquius, Benjamin FUCHS a Juan R. MOSIG. Printed transition for SIW horn antennas Analytical model. In: 2012 6th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP) [online]. 2012 [cit. 2015-10- 07]. DOI: 10.1109/eucap.2012.6206737. 185