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浅谈无线能量传输 Wireless Power Transfer




apple_Yu

2012-07-10 23:27:31

       大家好久不见了，嘛，第二次写东西。上一次介绍了一下人工电磁材料（Metamaterial），不过那东西有些抽象了。给个传送门：http://www.guokr.com/post/211951/       这次讲一下无线能量传输，其实也就是大家很感兴趣的无线充电。去右上角搜了一下，以前也有介绍的文章，http://www.guokr.com/article/42853/，嘛，因为最近搞了一下这个系统的仿真设计，所以把里面的实际东西搬出来给大家看一看~       首先还是大致介绍一下无线能量传输（WPT）的分类，按照工作方式，可以分为：电磁感应，耦合谐振，微波三种方式，今天要着重介绍的是耦合谐振式，所以先简单两句说一下另外两种，以及这几种方式的特点：

• 电磁感应。这种算是很简单的一种方式，直接通过两个线圈之间的互感实现。两个电感，靠很近，给一个通电，另一个上面也就有感应电流了，就是这么个道理。特点：工作距离很短，厘米级别，结构简单。在射频标签（RFID）系统中有比较多的应用，比如学校的饭卡里面就有一个线圈，用于从识别端获取能量驱动里面的芯片。
• 微波。这个的话，其实和一般的通信系统差不多。两个天线，一个发射，一个接收就好了。特点是：作用距离远，公里级别，传输能量大，但是对天线要求严格，空间传播有损耗。目前这种方式，主要是想用在卫星和地面之间，比如发射一个很大很大的太阳能电站到同步轨道，然后将能量用微波发射到地面接收，但是，这么远的距离，需要卫星的天线有极强的方向性，地面的接收天线阵列会占用很大的面积。
• 耦合谐振。介于前两者之间，作用距离中等，一米左右，传输能量也适中。虽然中间也会用到线圈。这个后面详细讲。

      耦合谐振式WPT的工作原理。从名字就能看出，这种系统中最关键的是谐振。所以在发射和接收端，会有两个一模一样，或者至少谐振频率相同的线圈。这种方式在Science中有一篇文章介绍[1]。这就是在文章中给出的示意图。S和D为两个一样的线圈，所以有这同样的谐振频率。A为输入端，通过磁耦合将能量耦合到S中，当输入信号的频率和S的本征频率一样时，S便会谐振，这时，S和D之间也会由磁场耦合在一起，然后激励起D的谐振，也就是说他们两个搞基了，然后D的能量在通过磁耦合到B中，然后点亮灯泡。当然，根据谐振器的耦合模型，这个过程是可以计算的，有兴趣的童鞋参考[2]。       说到这里，不得不提到一点，安全问题。只要提到无线，一般都会想到电磁场，然后就会想到辐射对人体影响。这里也分别作介绍吧。首先，电磁感应，由于是直接的电感耦合，不涉及谐振，所以不考虑其电磁辐射。 微波，这个是绝对的电磁辐射了。如果你有幸参观地面的接收站，建议你还是别去，嘛，卫星发射过来的电磁波已经有很大的衰减，而且单位面积上的功率也很小了。当然，如果你去靠近卫星的天线的话，你就等着被烤熟吧。 然后是谐振耦合，就像上图中的那种，整个系统是完全靠磁场维持的。而且这种系统的工作频率一般比较低，比如27MHz，这个频率的电磁场波长为11米，而整个系统的尺寸是远小于波长的，所以可以直接忽略它的电场，而只考虑磁场。就是说不直接构成电磁辐射，毕竟我们所想要的是更高的能量传输效率，让能量辐射出去多不好啊。当然，磁场对人体的影响，还是比较小的吧（这方面我不了解，还有待各位观众解答）。不过至少这种磁场主导的系统很安全。       回到谐振耦合式的WPT，传输效率能有多高呢？见下图~至少，文中的这个，效率还是挺不错了吧，不过，俺导师告诉俺，它的这个实验结果后来都没有人成功重复出来过，所以，有点疑问的说。       恩恩，接下来，介绍一种提高WPT效率的方法，没错，又要再次用到人工电磁材料了！！！  因为整个系统远小于工作波长，中间由磁场主导，这种时候，两个线圈间的磁场是一种凋落波，就是振幅不断衰减的波。而人工电磁材料的一大特性，就是放大凋落波，所以，在两个线圈中间插一个负磁导率的板子（为什么只用负磁导率呢？ 因为电场被忽略了，所以就不用再费神去做负介电常数了。），效率就起来了哦~  这个在Applied Physics Letters中就有报道[3]。这就是文章中的系统，（a）就是一个原始的WPT，（b）里面中间那块板子就是一个负磁导率的板子（等效负磁导率而已，对这个有疑问的同学请移步我之前介绍人工电磁材料的帖子~），从图里面可以明显看出灯泡在右边更亮了。而且请注意哦，是一个40W的灯泡哦，功率还是很不错了。       嘛，今天在COMSOL里面尝试对这种WPT系统进行了仿真。再啰嗦两句。两个谐振线圈加馈电环的模型。具体设置什么的就不多说了。。。嘛，才开始用COMSOL，可能也有不对的地方。。。S21的幅度随频率的变化，嘛，把这个做个平方就是功率的传输效率了，也还是有80%的样子。400MHz时候的电场和磁场。  红色的箭头是磁流密度矢量。 蓝色的平面上是线圈中的电场分布。就这么多了。。貌似写了不少。。向有耐心看完的童鞋致以诚挚的谢意~ 欢迎大家提出指正~参考文献：[1]："Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances", Andre Kurs et al. Science 317, 83(2007). [2]:"Waves and Fields in Optoelectronics", H. Haus, 1984. (这个是本书。)[3]:"Experiments on wireless power transfer with metamaterials", Bingnan Wang, Koon Hoo Teo et al. Applied Physics Letters. 98, 254101(2011).