Проект частоты и системных параметров

Выберите частоту проекта 30 МГц. Это популярная частота для компактной разработки системы WPT. Также задайте частоту для широкополосного анализа и точки в пространстве для построения графиков 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 степени резонансного типа для своего компактного размера и сильно ограниченного магнитного поля. Мы будем использовать такую спираль как основной элемент в этом примере.

Создайте спиральную геометрию

Спираль определяется внутренним и внешним радиусом и количеством 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. Хороший способ найти резонансную частоту - изучить импеданс спирального резонатора. Поскольку спираль является магнитным резонатором, ожидается реактивное сопротивление в форме лоренца, которое наблюдается в вычисленном результате импеданса.

figure; 
impedance(spiralobj,freq);

Поскольку спираль является магнитным резонатором, доминирующим компонентом поля этого резонанса является магнитное поле. Сильно локализованное магнитное поле наблюдается, когда строится ближнее поле.

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

Создайте спираль к системе передачи степени по спирали

Полная система беспроводной передачи степени состоит из двух частей: передатчика (Tx) и приемника (Rx). Выберите одинаковые резонаторы для передатчика и приемника, чтобы максимизировать эффективность передачи. Здесь система беспроводной передачи степени моделируется как линейный массив.

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

Изменение эффективности системы с передаточным расстоянием

Один из способов оценить эффективность системы - это изучение параметра S21. Как представлено в [[1]], эффективность системы быстро изменяется с рабочей частотой и силой связи между передатчиком и приемником. Пиковая эффективность возникает, когда система работает на своей резонансной частоте, и два резонатора тесно связаны.

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

Критическая связанная точка

Связь между двумя спиралями увеличивается с уменьшением расстояния между двумя резонаторами. Этот тренд примерно пропорциональна $$1/d^3$$. Поэтому эффективность системы увеличивается с меньшим расстоянием передачи, пока она не достигает критического связанного режима [1]. Когда две спирали переключены, превысив критический связанный порог, эффективность системы остается на пике, как показано на Fig 3 в [1]. Мы наблюдаем эту критическую точку связи и эффект избыточной связи во время моделирования системы. Выполните параметрическое исследование системных s-параметров как функции передаточного расстояния. Расстояние передачи изменяется путем изменения интервала элемента. Она изменяется от половины размерности спирали до полутора раз размерности спирали, что в два раза больше внешнего радиуса спирали. Частотная область значений расширяется и устанавливается с 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

Доминирующий механизм обмена энергией между двумя спиральными резонаторами проходит через магнитное поле. Между двумя спиралями на резонансной частоте присутствуют сильные магнитные поля.

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 степени, хорошо соответствуют результатам, опубликованным в [[1]].