無(wú)線能量傳輸(WPT) 是指發(fā)射和接收單元之間的能量傳輸，這項(xiàng)技術(shù)主要用于對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行無(wú)線充電，比如手機(jī)和電動(dòng)汽車。雖然無(wú)線能量傳輸可以帶來(lái)多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，但它仍面臨一些亟待解決的難題。這時(shí)就可以借助仿真的力量。例如，在一些WPT 技術(shù)中，設(shè)備必須按照特定的方向放置才能有效充電?，F(xiàn)在，我們將分析方向?qū)煞NWPT 天線功能的影響。

無(wú)線能量傳輸技術(shù)簡(jiǎn)介

在我們的日常生活中，電子器件是一個(gè)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(shè)備充電。無(wú)線能量傳輸技術(shù)(WPT) 的發(fā)展使這一切成為可能，它為電氣設(shè)備提供了一種簡(jiǎn)單的充電方法，并支持同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行充電。隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，我們已經(jīng)在越來(lái)越多的領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了無(wú)線充電，包括從手機(jī)到電動(dòng)汽車等電子產(chǎn)品。

圖1、咖啡店的無(wú)線充電點(diǎn)。圖片由Powermat Technologies 公司的Veredai 提供 — 圖片為自行拍攝，并通過(guò)Wikimedia Commons 分享。

如前所述，WPT 技術(shù)無(wú)需借助實(shí)芯線或?qū)w就能傳輸電能，使能源變得無(wú)處不在。一般情況下，我們可以通過(guò)電磁場(chǎng)在兩個(gè)單獨(dú)的對(duì)象之間傳遞能量。在這一系統(tǒng)中，連接至電源的能量傳輸裝置(PTU) 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，能量接收裝置(PRU) 捕捉到這一能量，并將它轉(zhuǎn)化為可用的能量。

圖2、無(wú)線能量傳輸?shù)暮?jiǎn)單示例。左側(cè)為PTU, 右側(cè)為PRU。

對(duì)于一些WPT 系統(tǒng)而言，需考慮的重要一點(diǎn)是PTU 與PRU 之間的方向會(huì)極大影響能量的耦合。因此，如希望為設(shè)備充電，需要將它仔細(xì)與PTU 對(duì)齊。但PTU 與PRU 間多大的偏斜會(huì)影響到能量的耦合呢？

這里，我們將使用仿真來(lái)分析朝向的改變將如何影響無(wú)線能量傳輸天線。

分析無(wú)線能量傳輸天線

在今天的無(wú)線能量傳輸教程中，我們將分析兩個(gè)圓環(huán)形天線之間的能量耦合。示例天線由一個(gè)聚四氟乙烯(PTFE) 寬板和位于其上的一個(gè)銅薄層構(gòu)成，并把銅薄層等效成完美電導(dǎo)體(PEC) 來(lái)模擬。每個(gè)器件均包含一個(gè)集總電感和一個(gè)集總端口，可以對(duì)天線進(jìn)行激勵(lì)或終止。

天線內(nèi)有一個(gè)超高頻RFID 標(biāo)簽，它可以在915 MHz 的頻率下工作，其形狀本身支持執(zhí)行電感耦合。

圖3、模型幾何。注意這里不包括空氣域和完美匹配層(PML)。

在我們的仿真中，接收天線正在旋轉(zhuǎn)，發(fā)射天線則維持在一個(gè)固定的位置。這一設(shè)定類似于以下場(chǎng)景：充電器位置固定，調(diào)整手機(jī)在其上的放置角度。

通過(guò)更改朝向，我們將能找出位置更改對(duì)能量耦合的影響。為了對(duì)這一影響進(jìn)行可視化，我們模擬了電場(chǎng)模的分布以及發(fā)射天線和（不同旋轉(zhuǎn)角下）接收天線間的能量流。

圖4、無(wú)線能量傳輸天線的電場(chǎng)模和能量流（箭頭圖）。

結(jié)果顯示當(dāng)天線面對(duì)面放置時(shí)，即接收天線的旋轉(zhuǎn)角為0° 時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)耦合，說(shuō)明能成功進(jìn)行無(wú)線能量傳輸。但當(dāng)接收天線的旋轉(zhuǎn)角為90° 時(shí)，我們?cè)谀芰苛鞔┻^(guò)接收天線時(shí)未觀察到任何變形。在這一旋轉(zhuǎn)角下，幾乎無(wú)耦合或有效的耦合區(qū)域。因此，我們可以得出結(jié)論：兩個(gè)天線間的能量傳輸在這一角度下被極大降低了。

將來(lái)，我們可以通過(guò)開(kāi)發(fā)支持在多個(gè)朝向下工作的系統(tǒng)來(lái)增強(qiáng)WPT 天線的功能，今后在為電子器件充電時(shí)，我們將無(wú)需再關(guān)注它們的具體放置。

作者：Caty Fairclough，COMSOL公司