Tasasuuntauspiirin impedanssisovitus radiotaajuksilla

Abstract

Langaton energiansiirto on yhä yleistyvämpää ja yksi sen tekniikoista on radiotaajuinen energiansiirto, jossa energia siirtyy radiotaajuisten sähkömagneettisten aaltojen avulla. Tässä työssä tutkitaan radiotaajuisen energian vastaanotinlaitteistossa tarvittavaa RF-DC-tasasuuntauspiiriä sekä tämän piirin impedanssisovitusta. Impedanssisovitus toteutetaan Powercast PCC110-RF-DC-tasasuuntauspiirille, joka sovitetaan toimimaan vapaassa käytössä olevalla SRD860-kaistalla, jonka keskitaajuus on 868 MHz:ä. Työ koostuu teoria- ja tutkimusosasta. Teoriaosassa käsitellään aluksi yleisesti erilaisia langattoman energiansiirron tekniikoita. Käsiteltäviä tekniikoita ovat lähialueen tekniikat: induktiivinen, resonoiva induktiivinen ja kapasitiivinen kytkeytyminen. Tämän lisäksi työssä tarkastellaan kaukoalueen tekniikoita: radiotaajuista energiansiirtoa ja lasereita hyödyntävää energiansiirtoa. Tämän jälkeen teoriaosassa käsitellään impedanssisovitusta ja erilaisia sovituspiirejä, minkä tarkoituksena on valita sopiva piirityyppi työn tutkimusosaan. Sovituspiirin tarkoituksena on parantaa vastaanotinpiirin sovitushyötysuhdetta, mikä käytännössä tarkoittaa sitä, että suurempi osa vastaanotinpiiriin syötetystä tehosta saadaan siirtymään tasasuuntauspiirille. Sovituspiirityypiksi valikoitui yhden resonanssin L-sovituspiiri. Se on piiritopologia, jossa on kaksi komponenttia, toinen sarjassa ja toinen rinnan. Kumpikin komponenteista voi olla kela tai kondensaattori. Se on yksinkertainen toteuttaa ja sillä saadaan piiri sovitettua toimimaan tietyllä taajuudella niin, että teoriassa koko syötetty teho siirtyy PCC110-piirille. Tutkimusosassa suunnitellaan sovituspiiri mittaamalla ensin sovitettavan PCC110-piirin impedanssi eri syöttötehoilla. Tämän jälkeen valitaan sopiva sovitustopologia erilaisten L-sovituspiirien joukosta ja määritetään eri syöttötehoja vastaaville impedansseille sovituspiirien komponenttiarvot. Piirit rakennetaan simulaattoriin ja niitä simuloidaan sopivimman sovituspiirin valitsemiseksi. Valittu sovituspiiri rakennetaan tämän jälkeen piirilevylle ja sille suoritetaan piirianalysaattorilla mittaukset vaihtelevilla syöttötehoilla. Tuloksista huomataan, että mitatut tulokset vastaavat melko hyvin simuloituja tuloksia, vaikkakin sovitushyötysuhteiden huiput ovat hieman siirtyneet taajuusakselilla.