Спроектируйте частоту и системные параметры

Выберите частоту проекта, чтобы быть 30 МГц. Это - популярная частота для компактной разработки системы WPT. Также задайте частоту для широкополосного анализа и точки на пробеле, чтобы построить близкие поля.

fc=30e6;
fcmin = 28e6;
fcmax = 31e6;
fband1 = 27e6:1e6:fcmin;
fband2 = fcmin:0.25e6:fcmax;
fband3 = fcmax:1e6:32e6;
freq = unique([fband1 fband2 fband3]);
pt=linspace(-0.3,0.3,61);
[X,Y,Z]=meshgrid(pt,0,pt);
field_p=[X(:)';Y(:)';Z(:)'];

Спиральный резонатор

Спираль является очень популярной геометрией в резонирующей беспроводной системе транспортировки степени типа связи для ее компактного размера и высоко ограниченного магнитного поля. Мы будем использовать такую спираль в качестве основного элемента в этом примере.

Создайте спиральную геометрию

Спираль задана ее внутренним и внешним радиусом и количеством поворотов. Выразите геометрию ее граничными точками, затем импортируйте ее граничные точки в pdetool. Mesh сгенерирована в pdetool и экспортирована. Mesh описана точками и треугольниками.

Rin=0.05;
Rout=0.15;
N=6.25;
spiralobj = spiralArchimedean('NumArms', 1, 'Turns', N,              ...
    'InnerRadius', Rin, 'OuterRadius', Rout, 'Tilt', 90, 'TiltAxis', 'Y');

Резонансная частота и режим

Важно найти резонансную частоту спроектированной спиральной геометрии. Хороший способ найти резонансную частоту состоит в том, чтобы изучить импеданс спирального резонатора. Поскольку спираль является магнитным резонатором, реактивное сопротивление, имеющее форму Лоренца ожидается и наблюдается в расчетном результате импеданса.

figure; 
impedance(spiralobj,freq);

Поскольку спираль является магнитным резонатором, доминирующий полевой компонент этого резонанса является магнитным полем. Строго локализованное магнитное поле наблюдается, когда близкое поле построено.

figure; 
EHfields(spiralobj,fc,field_p,'ViewField','H','ScaleFields',[0 5]);

Создайте спираль к спиральной системе транспортировки степени

Полная беспроводная система транспортировки степени состоит из двух частей: передатчик (Tx) и получатель (Rx). Выберите идентичные резонаторы и для передатчика и для получателя, чтобы максимизировать КПД передачи. Здесь, беспроводная система транспортировки степени моделируется как линейная матрица.

wptsys=linearArray('Element',[spiralobj spiralobj]);
wptsys.ElementSpacing=Rout*2;
figure;
show(wptsys);

Изменение системного КПД с расстоянием передачи

Один способ оценить КПД системы путем изучения параметра S21. Как представлено в [[1]], системный КПД изменяется быстро с рабочей частотой и связывающейся силой между резонатором передатчика и получателя. Пиковый КПД происходит, когда система действует на ее резонансной частоте, и эти два резонатора строго связываются.

sparam = sparameters(wptsys, freq);
figure;
rfplot(sparam,2,1,'abs');

Критическая двойная точка

Связь между двумя спиралями увеличивается с уменьшающимся расстоянием между двумя резонаторами. Этот тренд приблизительно пропорционален $$1/d^3$$. Поэтому системный КПД увеличивается с более коротким расстоянием передачи, пока это не достигает критического двойного режима [1]. Когда эти две спирали по двойному, превышая критический двойной порог, системный КПД остается на своем пике, как показано в Fig 3 в [1]. Мы наблюдаем эту критическую точку связи и по связывающемуся эффекту во время моделирования системы. Выполните параметрическое исследование системных s-параметров как функция расстояния передачи. Расстояние передачи варьируется путем изменения ElementSpacing. Это варьируется от половины спиральной размерности до одной и половины времен спиральной размерности, которая имеет дважды внешний радиус спирали. Частотный диапазон расширен и установлен от 25 МГц до 36 МГц.

freq=(25:0.1:36)*1e6;
dist=Rout*2*(0.5:0.1:1.5);

load('wptData.mat');
s21_dist=zeros(length(dist),length(freq));
for i=1:length(dist)
    s21_dist(i,:)=rfparam(sparam_dist(i),2,1);
end

figure;
[X,Y]=meshgrid(freq/1e6,dist);
surf(X,Y,abs(s21_dist),'EdgeColor','none'); 
view(150,20);
shading(gca,'interp');
axis tight;
xlabel('Frequency [MHz]');
ylabel('Distance [m]');
zlabel('S_{21} Magnitude');

Связь режима между двумя спиральными резонаторами

Доминирующий энергетический механизм обмена между двумя спиральными резонаторами через магнитное поле. Сильные магнитные поля присутствуют между этими двумя спиралями на резонансной частоте.

wptsys.ElementSpacing=Rout*2;
figure;
EHfields(wptsys,fc,field_p,'ViewField','H','ScaleFields',[0 5]); 
view(0,0);

Заключение

Результаты, полученные для беспроводной системы транспортировки степени, соответствуют хорошо результатами, опубликованными в [[1]].