Měření systémů bezdrátového napájení vektorovým analyzátorem

Principy a možnosti bezdrátového přenosu elektrické energie (výkonu) jsou známé již dlouhou dobu. Bezdrátový přenos energie byl v minulosti využíván hlavně v situacích, kdy by bylo použití přímého propojení pomocí vodičů nepraktické či nemožné. Může se jednat o zapouzdřená zařízení chráněná proti vniknutí vody a pevných nečistot či zařízení jinak nedostupná, jako jsou například implantáty. Bezdrátový přenos energie je široce používán například i v různých RFID aplikacích. Přenos může probíhat na větší vzdálenosti pomocí vyzařovaného pole nebo v oblasti blízkého pole na nízkých kmitočtech (do jednotek MHz) a na velmi krátkou vzdálenost. V současnosti se zřejmě téměř výhradně používá druhý způsob.

Většina běžných systémů funguje na principu indukční vazby mezi dvěma cívkami či indukční vazby mezi dvěma rezonančními obvody tvořenými indukčností a kapacitou.

V posledních letech se zájem o bezdrátový přenos energie významně zvýšil v souvislosti s běžnou spotřební elektronikou, jako jsou mobilní telefony, tablety, „chytré“ hodinky a podobná zařízení. V těchto aplikacích jde hlavně o pohodlí uživatele a v blízké budoucnosti se v této oblasti předpokládá velký rozmach. Již v dnešní době je na trhu celá řada zařízení umožňujících bezdrátové indukční nabíjení – například Apple Watch či mobilní telefony značek Samsung nebo LG. V souvislosti s tím je nutné řešit i potřebu přesné charakterizace přenosového řetězce – vysílačů v podobě nabíjecích stanic a přijímačů vestavěných v koncových přístrojích.

První skupina prováděných měření se týká celého přenosového systému tvořeného navázanými cívkami či rezonančními obvody a zahrnuje měření účinnosti přenosu energie a impedančního přizpůsobení. Impedance může být měřena malosignálově či při reálných provozních podmínkách větším výkonem.

Další měření se týkají jednotlivých prvků celého systému – výkonového zesilovače, přizpůsobovacího obvodu, samotných cívek či rezonátorů a stejnosměrného měniče.

Pro usnadnění části těchto měření představila firma Keysight Technologies nové softwarové rozšíření (option 006 – Wireless Power Transfer Analysis) k vektorovým analyzátorům obvodů E5072A, E5061B a E5063A z řady Keysight ENA. Program na základě naměřených dvoubranových rozptylových parametrů obvodu počítá a přehledně zobrazuje relevantní parametry sestavy vysílací a přijímací cívky (měřicí konfigurace dle obr. 1).

Jak vlastně celé měření probíhá? Nejprve je nutné provést základní nastavení a běžnou dvoubranovou kalibraci vektorového analyzátoru obvodů. Po připojení testovaného přenosového řetězce a spuštění softwarového doplňku je možné zobrazit údaje o hodnotách vstupního či výstupního napětí a proudu, účinnosti přenosu energie či parametru „RCE“ (resonator coupling efficiency), který představuje ideální účinnost přenosu při optimálních impedančních podmínkách. Při měření je možné definovat úroveň buzení na vstupu vysílací části a komplexní impedanci zatěžující výstup přijímací části (výsledky se vzhledem k této impedanci přepočítávají).

V druhém režimu je možné provádět výpočet závislosti zvoleného parametru na kmitočtu a impedanci (reálné a imaginární části) zatěžující měřený obvod. Výsledky se zobrazují graficky v podobě dvourozměrného, respektive trojrozměrného, grafu (při volbě rozmítání jednoho či dvou parametrů). Takto je možné snadno nalézt například hodnoty parametrů maximalizujících účinnost přenosu energie. Program je následně možné přepnout zpět do měřicího režimu a pokračovat v měření s optimalizovanými hodnotami.

Jak bylo uvedeno výše, je pro daná měření možné zvolit jeden ze tří modelů vektorových analyzátorů obvodů.

Analyzátor E5072A obsahuje konfigurovatelný „test-set“ s možností zařazení externího zesilovače do signálové trasy a umožňuje tak provádět měření impedančního přizpůsobení při reálných provozních úrovních. Jedná se o jediné měřicí řešení certifikované pro daná měření organizací A4WP (Alliance for Wireless Power) a analyzátor tak může být využit pro certifikační testy výrobků.

Analyzátor E5061B s doplňky 3L5 (kmitočtový rozsah od 5 Hz) a 005 (měření impedance) umožňuje kromě výše zmíněných systémových testů provádět i komplexní měření parametrů jednotlivých komponentů přenosového řetězce a je tak velmi univerzálním nástrojem především pro vývoj. Analyzátor E5063A je možné použít pro základní malosignálová měření účinnosti přenosu energie a impedančního přizpůsobení. S výhodnou cenou, která je oproti dalším přístrojům přibližně třetinová, se jedná o optimální řešení pro měření prováděná ve výrobě.

Společnost Keysight Technologies je v současné době jediná, která v oblasti bezdrátového přenosu energie nabízí takto komplexní soubor měřicích řešení.