Расчетная частота и системные параметры

Выберите расчетную частоту 30 МГц. Это популярная частота для компактной конструкции WPT системы. Также укажите частоту для широкополосного анализа и точки в пространстве для печати рядом с полями.

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 системе беспроводной передачи энергии резонансного типа для ее компактного размера и сильно ограниченного магнитного поля. Мы будем использовать такую спираль в качестве фундаментального элемента в этом примере.

Создание геометрии переходной кривой

Спираль определяется ее внутренним и внешним радиусом и числом витков.

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 проектируемой спиральной геометрии. Хорошим способом найти резонансную частоту является изучение импеданса спирального резонатора. Поскольку спираль является магнитным резонатором, в результате вычисления полного сопротивления ожидается и наблюдается реактивное сопротивление в форме лоренца.

figure; 
impedance(spiralobj,freq);

Поскольку спираль является магнитным резонатором, доминирующей составляющей поля этого резонанса является магнитное поле. Сильно локализованное магнитное поле наблюдается при построении графика ближнего поля.

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

Создание системы передачи энергии от спирали к спирали

Полная беспроводная система передачи мощности состоит из двух частей: передатчика (Tx) и приемника (Rx). Выберите одинаковые резонаторы как для передатчика, так и для приемника, чтобы максимизировать эффективность передачи. Здесь беспроводная система передачи мощности моделируется как линейная матрица.

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

Изменение эффективности системы с расстоянием передачи

Одним из способов оценки эффективности системы является изучение параметра S21. Как представлено в [[1]], эффективность системы быстро изменяется с рабочей частотой и силой связи между передатчиком и резонатором приемника. Пиковая эффективность возникает, когда система работает на своей резонансной частоте, и два резонатора сильно связаны.

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

Критическая точка соединения

Связь между двумя спиралями увеличивается с уменьшением расстояния между двумя резонаторами. Эта тенденция приблизительно пропорциональна $$\mathrm{}{}^{\mathrm{1/d3}}$$. Следовательно, эффективность системы увеличивается с уменьшением расстояния передачи до тех пор, пока она не достигнет критического режима [1]. Когда две спирали соединены, превышая критическое пороговое значение, эффективность системы остается на пике, как показано на Fig.3 в [1]. Мы наблюдаем эту критическую точку соединения и чрезмерный эффект соединения во время моделирования системы. Выполните параметрическое исследование s-параметров системы как функции расстояния передачи. Расстояние передачи изменяется путем изменения ElireSpacing. Она изменяется от половины размера спирали до полутора размеров спирали, что в два раза превышает внешний радиус спирали. Диапазон частот 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');

Режим связи между двумя спиральными резонаторами

Механизм доминантного обмена энергией между двумя спиральными резонаторами проходит через магнитное поле. Сильные магнитные поля присутствуют между 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 системы беспроводной передачи питания, хорошо совпадают с результатами, опубликованными в [[1]].