無線能量傳輸(WPT) 是指發射和接收單元之間的能量傳輸,這項技術主要用于對電子設備進行無線充電,比如手機和電動汽車。雖然無線能量傳輸可以帶來多項優勢,但它仍面臨一些亟待解決的難題。這時就可以借助仿真的力量。例如,在一些WPT 技術中,設備必須按照特定的方向放置才能有效充電。現在,我們將分析方向對兩種WPT 天線功能的影響。
無線能量傳輸技術簡介
在我們的日常生活中,電子器件是一個非常重要的組成部分。想象一下,您不需要電線或任何線纜就能為這些設備充電。無線能量傳輸技術(WPT) 的發展使這一切成為可能,它為電氣設備提供了一種簡單的充電方法,并支持同時對多個設備進行充電。隨著技術的持續發展,我們已經在越來越多的領域中實現了無線充電,包括從手機到電動汽車等電子產品。
如前所述,WPT 技術無需借助實芯線或導體就能傳輸電能,使能源變得無處不在。一般情況下,我們可以通過電磁場在兩個單獨的對象之間傳遞能量。在這一系統中,連接至電源的能量傳輸裝置(PTU) 會產生一個磁場,能量接收裝置(PRU) 捕捉到這一能量,并將它轉化為可用的能量。
對于一些WPT 系統而言,需考慮的重要一點是PTU 與PRU 之間的方向會極大影響能量的耦合。因此,如希望為設備充電,需要將它仔細與PTU 對齊。但PTU 與PRU 間多大的偏斜會影響到能量的耦合呢?
這里,我們將使用仿真來分析朝向的改變將如何影響無線能量傳輸天線。
分析無線能量傳輸天線
在今天的無線能量傳輸教程中,我們將分析兩個圓環形天線之間的能量耦合。示例天線由一個聚四氟乙烯(PTFE) 寬板和位于其上的一個銅薄層構成,并把銅薄層等效成完美電導體(PEC) 來模擬。每個器件均包含一個集總電感和一個集總端口,可以對天線進行激勵或終止。
天線內有一個超高頻RFID 標簽,它可以在915 MHz 的頻率下工作,其形狀本身支持執行電感耦合。
在我們的仿真中,接收天線正在旋轉,發射天線則維持在一個固定的位置。這一設定類似于以下場景:充電器位置固定,調整手機在其上的放置角度。
通過更改朝向,我們將能找出位置更改對能量耦合的影響。為了對這一影響進行可視化,我們模擬了電場模的分布以及發射天線和(不同旋轉角下)接收天線間的能量流。
結果顯示當天線面對面放置時,即接收天線的旋轉角為0° 時,電場強耦合,說明能成功進行無線能量傳輸。但當接收天線的旋轉角為90° 時,我們在能量流穿過接收天線時未觀察到任何變形。在這一旋轉角下,幾乎無耦合或有效的耦合區域。因此,我們可以得出結論:兩個天線間的能量傳輸在這一角度下被極大降低了。
將來,我們可以通過開發支持在多個朝向下工作的系統來增強WPT 天線的功能,今后在為電子器件充電時,我們將無需再關注它們的具體放置。
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