بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
انتقال توان بيسيم از يک فرستنده به چند گيرنده به صورت همزمان در سيستم انتقال توان SCMR با استفاده از تشديدکننده هاي دوقطبي الکتريکي
خلاصه
استفاده از سيستم انتقال توان بيسيم به عنوان راه حلي براي حذف سيم هاي رابط و انعطاف پذيري بيشتر دستگاه هاي الکترونيکي ، مورد توجه قرار گرفته است . در سيستم هاي انتقال توان بيسيم به روش کوپل تشديدکننده هاي مغناطيسي ، مرسوم است که از تشديدکننده هاي حلقوي استفاده مي کنند. در اين سيستم ها غالبا يک دستگاه فرستنده توان و يک دستگاه گيرنده توان وجود دارد و انتقال توان به بيش از يک گيرنده سبب کاهش شديد بازده انتقال مي شود.
در اين مقاله طرح پيشنهادي ما براي حل اين مشکل ، استفاده از تشديدکننده دوقطبي الکتريکي است . نتايج بدست آمده نشان مي دهد که بازده انتقال توان به دو گيرنده از يک فرستنده توان واحد به صورت همزمان بسيار بالا و قابل توجه خواهد بود. استفاده از طرح تشديدکننده دوقطبي سبب کاهش تعداد دستگاه فرستنده توان و در نتيجه افزايش بازده انتقال کلي در سيستم کامل انتقال توان بيسيم مي شود.
کلمات کليـدي: انتقـال تـوان بيسـيم ، کوپـل تشـديدکننده هـاي مغناطيسـي ، يـک فرسـتنده چنـد گيرنـده ، SCMR، تشديدکننده دوقطبي الکتريکي ، WPT
١. مقدمه
پيشرفتهاي گسترده در زمينه ارتباطات بيسيم و تکنولوژي نيمه رساناها، باعث پيدايش دستگاه هاي الکترونيکي قابل حمل متنوع و گسترده اي شده است [١]. اينگونه دستگاه ها براي شارژ باتري و تأمين انرژي مصرفي خود، نيازمند اتصال به پريز برق مي باشند. اين راه تأمين انرژي سبب محدوديت در تحرک و جابه جايي آنها شده و غالب آنها در زمان شارژ عملا بدون استفاده خوهند شد. انتقال توان بيسيم سيم هاي رابط را حذف کرده و مشکل جابه جايي دستگاه هاي الکترونيکي را در زمان شارژ باتري ، برطرف مي کند. انتقال توان بيسيم به چهار دسته اصلي تقسيم مي شوند: ١- استفاده از امواج الکترومغناطيسي در رنج فرکانسي ماکروويوکه داراي ويژگي هايي از قبيل برد بالا، حجم توان انتقالي بالا، پيچيدگي دستگاه گيرنده و فرستنده که همواره بايد در يک راستا باشند و خطر آفريني براي سلامت موجودات زنده است . ٢- استفاده از کوپل ميدان الکتريکي که نخستين بار توسط نيکلا تسلا در اواخر قرن نوزدهم ميلادي مطرح شد، [٢] و به موفقيت چنداني دست پيدا نکرد زيرا براي سلامت موجودات زنده خطرآفرين بود و تلفات پراکندگي زيادي داشت . ٣- روش کوپل ميدان مغناطيسي که از ويژگي هاي آن مي توان به حجم توان انتقالي زياد، تلفات پراکندگي نسبتا کم ، برد انتقال کم در حدود چند ده سانتي متر در صورت استفاده از تشديدکننده ، داراي ايمني کافي براي سلامت موجودات زنده و بازده انتقال بالا اشاره کرد. ٤- استفاده از پرتو ليزر که مي توند حجم زيادي از توان را با بازده بالا انتقال دهد. البته براي سلامتي انسان خطرناک است .
انتقال توان به روش کوپل ميدان مغناطيسي به دليل ايمن بودن براي سلامتي از سه دهه پيش ، بسيار مورد توجه قرار گرفته است ، که خود به دو دسته تقسيم مي شود: ١- روش کوپل القاي مغناطيسي که بازده بالايي در برد کوتاه در حدود يک يا دو سانتي متر داد. ٢- روش کوپل تشديدکننده هاي مغناطيسي که اولين بار توسط A.Karalis در سال ٢٠٠٧ در دانشگاه MIT مطرح شد و نتايجي خوبي را به نمايش گذاشت [٣]. گروه تحقيقاتي MIT توانست يک لامپ ٦٠ وات را در فاصله دو متري با استفاده از روش کوپل تشديدکننده هاي مغناطيسي روشن کنند. اين روش انتقال توان بيسيم ، بازده بالايي در حدود ٧٠% در برد متوسط ( cm٣٠٠-٢٠٠) دارد [٣]. به همين دليل براي شارژ لوازم الکتريکي متحرک مانند روبات هاي خانگي و گوشي هاي موبايل بسيار مناسب مي باشد. در اين روش از دو تشديدکننده ، يکي در طرف دستگاه فرستنده توان و ديگري در طرف دستگاه گيرنده توان استفاده مي شود. به منظور تطبيق امپدانس تشديدکننده فرستنده با منبع توان در طرف فرستنده و تطبيق امپدانس تشديدکننده گيرنده با امپدانس بار در طرف گيرنده ، از روش کوپل القايي براي تحريک تشديدکننده ها در هر دو طرف گيرنده و فرستنده استفاده مي شود. بدين منظور معمولا از يک آنتن حلقوي در فاصله دو يا سه سانتي متري از تشديد کننده همانطور که در شکل ١. ملاحظه مي کنيد، بهره مي برند .
شکل ١- شماتيک اوليه سيستم انتقال توان بيسيم به روش کوپل تشديدکننده هاي مغناطيسي SCMR
در سيستم انتقال توان بيسيم به روش کوپل تشديدکننده هاي مغناطيسي تا کنون از تشديدکننده هاي حلقوي در ناحيه ميدان نزديک استفاده شده است . در مرجع [٤]، استفاده از آنتن دوقطبي الکتريکي به عنوان تشديدکننده و المان هاي تحريک منبع و بار، به طور خلاصه بررسي شده است . دو قطبي الکتريکي الگوي تابشي همه جهته در ناحيه ميدان دور دارد اما در ناحيه ميدان نزديک الگوي ميدان هاي غيرتابشي ( راکتيو ) به صورت استوانه اي است و تقارني در راستاي φ دارد.
هر گاه دستگاه گيرنده در راستاي تشديدکننده فرستنده قرار بگيرد، ميدان هاي راکتيو و غيرتابشي به سمت گيرنده جهتگيري مي کنند. هرچه کوپل بين تشديدکننده ها قوي تر باشد، کشيدگي پترن ناحيه ميدان نزديک به سمت محل گيرنده بيشتر خواهد شد. در اين مقاله از اين مزيت دوقطبي الکتريکي براي انتقال توان به بيش از يک گيرنده به طور همزمان استفاده مي شود. طرح پيشنهادي ما در اين مقاله سبب کاهش تعداد فرستنده و افزايش بازده انتقال توان کلي سيستم خواهد شد. سيستم مفروض شامل چند گيرنده در محل هاي مختلف اما با فاصله يکسان از فرستنده است .
در ادامه به طور مختصر شرايط به کارگيري دوقطبي به عنوان تشديدکننده در سيستم انتقال توان بيسيم ، بررسي مي شود. در بخش سوم ، تشديدکننده ديگري در طرف فرستنده و در راستاي گيرنده دوم به سيستم اضافه مي کنيم . نتايج شبيه سازي با استفاده از نرم افزار HFSS قابل تعميم به نتايج اندازه گيري شده در محيط عملي ، خواهد بود. در بخش چهارم بدن اضافه کردن تشديدکننده فرستنده دوم ، و تنها با يک تشديدکننده فرستنده ، نتايج شبيه سازي شامل بازده و حجم توان انتقالي را ارئه نموده مقايسه اي با بخش سوم انجام مي دهيم . از اين مقايسه نتيجه جالبي بدست مي آيد و آن اين که استفاده از تشديدکننده اضافي در بخش فرستنده سبب کاهش حجم توان انتقالي مي شود. علت آن است که ميدان هاي الکترومغناطيس راکتيو در بين تشديدکننده ها به دام افتاده و قسمت کمي از توان انتقال مي يابد و مابقي بين المان منبع و تشديدکننده فرستنده به صورت رفت و برگشتي نوسان مي کند.
٢. تئوري تشديدکننده هاي دوقطبي الکتريکي
با استفاده از آنتن دوقطبي الکتريکي و يک سلف فشرده مي توان تشديدکننده دوقطبي را به وجود آورد. المان بار و المان منبع نيز داراي سلفي با مقدار مشابه هستند تا در فرکانس يکسان با تشديدکننده ، نوسان کنند.
آنتن دوقطبي الکتريکي ماهيتي خازني دارد يعني بيشتر ميدان الکتريکي در ناحيه ميدان نزديک خود ذخيره مي کند. اين در حالي است که تشديدکننده هاي حلقوي و مارپيچي ماهيت مغناطيسي دارند و بيشتر ميدان مغناطيسي در محيط اطراف خود ذخيره مي کنند و براي به تشديد واداشتن آنها در فرکانس خاص به يک خازن فشرده نياز داريم . مقدار سلف و خازن فشرده براي تشديدکننده هاي دوقطبي الکتريکي و تشديدکننده هاي حلقوي به ترتيب با استفاده از رابطه هاي (١) و (٢) بدست مي آيد [٤] ،
که در آن l طول سرتاسري دو قطبي الکتريکي، a شعاع سطح مقطع دو قطبي، f فرکانس تحريک و λ طول موج تحريک مي باشد.
در رابطه (٢) f فرکانس تحريک ، N تعداد دور حلقه سيم پيچ ، r شعاع حلقه ، rc شعاع سطح مقطع سيم حلقه و μ تراوايي مغناطيسي خلا مي باشد.
٣. نتايج شبيه سازي براي سيستم SCMR با دو تشديد کننده فرستنده
در اين آزمايش ابتدا سيستمي را بررسي مي کنيم که در آن دو دستگاه گيرنده در تشديد با دستگاه فرستنده توان هستند و در راستاي گيرنده ها يک تشديدکننده فرستنده در قسمت فرستنده قرار داده شده است . شکل ٢. شماتيک شبيه سازي شده چنين سيستمي را نشان مي دهد. در راستاي محل قرارگيري گيرنده اول يک تشديدکننده و در راستاي محل قرارگيري گيرنده دوم تشديد کننده فرستنده ديگري قرار داده شده است .
