借助仿真研究无线能量传输

无线能量传输(WPT) 是指发射和接收单元之间的能量传输，这项技术主要用于对电子设备进行无线充电，比如手机和电动汽车。虽然无线能量传输可以带来多项优势，但它仍面临一些亟待解决的难题。这时就可以借助仿真的力量。例如，在一些WPT 技术中，设备必须按照特定的方向放置才能有效充电。现在，我们将分析方向对两种WPT 天线功能的影响。

无线能量传输技术简介

在我们的日常生活中，电子器件是一个非常重要的组成部分。想象一下，您不需要电线或任何线缆就能为这些设备充电。无线能量传输技术(WPT) 的发展使这一切成为可能，它为电气设备提供了一种简单的充电方法，并支持同时对多个设备进行充电。随着技术的持续发展，我们已经在越来越多的领域中实现了无线充电，包括从手机到电动汽车等电子产品。

图1、咖啡店的无线充电点。图片由Powermat Technologies 公司的Veredai 提供 — 图片为自行拍摄，并通过Wikimedia Commons 分享。

如前所述，WPT 技术无需借助实芯线或导体就能传输电能，使能源变得无处不在。一般情况下，我们可以通过电磁场在两个单独的对象之间传递能量。在这一系统中，连接至电源的能量传输装置(PTU) 会产生一个磁场，能量接收装置(PRU) 捕捉到这一能量，并将它转化为可用的能量。

图2、无线能量传输的简单示例。左侧为PTU, 右侧为PRU。

对于一些WPT 系统而言，需考虑的重要一点是PTU 与PRU 之间的方向会极大影响能量的耦合。因此，如希望为设备充电，需要将它仔细与PTU 对齐。但PTU 与PRU 间多大的偏斜会影响到能量的耦合呢？

这里，我们将使用仿真来分析朝向的改变将如何影响无线能量传输天线。

分析无线能量传输天线

在今天的无线能量传输教程中，我们将分析两个圆环形天线之间的能量耦合。示例天线由一个聚四氟乙烯(PTFE) 宽板和位于其上的一个铜薄层构成，并把铜薄层等效成完美电导体(PEC) 来模拟。每个器件均包含一个集总电感和一个集总端口，可以对天线进行激励或终止。

天线内有一个超高频RFID 标签，它可以在915 MHz 的频率下工作，其形状本身支持执行电感耦合。

图3、模型几何。注意这里不包括空气域和完美匹配层(PML)。

在我们的仿真中，接收天线正在旋转，发射天线则维持在一个固定的位置。这一设定类似于以下场景：充电器位置固定，调整手机在其上的放置角度。

通过更改朝向，我们将能找出位置更改对能量耦合的影响。为了对这一影响进行可视化，我们模拟了电场模的分布以及发射天线和（不同旋转角下）接收天线间的能量流。

图4、无线能量传输天线的电场模和能量流（箭头图）。

结果显示当天线面对面放置时，即接收天线的旋转角为0° 时，电场强耦合，说明能成功进行无线能量传输。但当接收天线的旋转角为90° 时，我们在能量流穿过接收天线时未观察到任何变形。在这一旋转角下，几乎无耦合或有效的耦合区域。因此，我们可以得出结论：两个天线间的能量传输在这一角度下被极大降低了。

将来，我们可以通过开发支持在多个朝向下工作的系统来增强WPT 天线的功能，今后在为电子器件充电时，我们将无需再关注它们的具体放置。

作者：Caty Fairclough，COMSOL公司