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  • 2016-12-15 17:29
主题:  无线能量传输的一点研究
无线能量传输(WPT) 是指发射和接收单元之间的能量传输,这项技术主要用于对电子设备进行无线充电,比如手机和电动汽车。虽然无线能量传输可以带来多项优势,但它仍面临一些亟待解决的难题。这时就可以借助仿真的力量。例如,在一些WPT 技术中,设备必须按照特定的方向放置才能有效充电。现在,我们将分析方向对两种WPT 天线功能的影响。
 
无线能量传输技术简介
 
在我们的日常生活中,电子器件是一个非常重要的组成部分。想象一下,您不需要电线或任何线缆就能为这些设备充电。无线能量传输技术(WPT) 的发展使这一切成为可能,它为电气设备提供了一种简单的充电方法,并支持同时对多个设备进行充电。随着技术的持续发展,我们已经在越来越多的领域中实现了无线充电,包括从手机到电动汽车等电子产品。
 
如前所述,WPT 技术无需借助实芯线或导体就能传输电能,使能源变得无处不在。一般情况下,我们可以通过电磁场在两个单独的对象之间传递能量。在这一系统中,连接至电源的能量传输装置(PTU) 会产生一个磁场,能量接收装置(PRU) 捕捉到这一能量,并将它转化为可用的能量。
 

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图1、无线能量传输的简单示例。左侧为PTU, 右侧为PRU。
 
对于一些WPT 系统而言,需考虑的重要一点是PTU 与PRU 之间的方向会极大影响能量的耦合。因此,如希望为设备充电,需要将它仔细与PTU 对齐。但PTU 与PRU 间多大的偏斜会影响到能量的耦合呢?
 
这里,我们将使用仿真来分析朝向的改变将如何影响无线能量传输天线。
 
分析无线能量传输天线
 
在今天的无线能量传输教程中,我们将分析两个圆环形天线之间的能量耦合。示例天线由一个聚四氟乙烯(PTFE) 宽板和位于其上的一个铜薄层构成,并把铜薄层等效成完美电导体(PEC) 来模拟。每个器件均包含一个集总电感和一个集总端口,可以对天线进行激励或终止。
 
天线内有一个超高频RFID 标签,它可以在915 MHz 的频率下工作,其形状本身支持执行电感耦合。
 

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图2、模型几何。注意这里不包括空气域和完美匹配层(PML)。
 
在我们的仿真中,接收天线正在旋转,发射天线则维持在一个固定的位置。这一设定类似于以下场景:充电器位置固定,调整手机在其上的放置角度。
 
通过更改朝向,我们将能找出位置更改对能量耦合的影响。为了对这一影响进行可视化,我们模拟了电场模的分布以及发射天线和(不同旋转角下)接收天线间的能量流。
 

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图3、无线能量传输天线的电场模和能量流(箭头图)。
 
结果显示当天线面对面放置时,即接收天线的旋转角为0° 时,电场强耦合,说明能成功进行无线能量传输。但当接收天线的旋转角为90° 时,我们在能量流穿过接收天线时未观察到任何变形。在这一旋转角下,几乎无耦合或有效的耦合区域。因此,我们可以得出结论:两个天线间的能量传输在这一角度下被极大降低了。
 
将来,我们可以通过开发支持在多个朝向下工作的系统来增强WPT 天线的功能,今后在为电子器件充电时,我们将无需再关注它们的具体放置。