《无线电力传输仿真》PPT课件.ppt

,电磁谐振型无线电力传送的 电磁场分析案例,May 10, 2011,Page 1,Agilent Technologies Japan,Agenda,电磁场分析手法的特征 磁气共鸣型电力传送分析事例 2-1. 平面线圈形状的分析例 3D-planar EM Tool的适应 2-2. Meander Line 形状的分析例 3D-planar EM Tool的适应 2-3. 立体线圈形状的分析例 Full 3D EM Tool的适应,May 10, 2011,Page 2,Agilent Technologies Japan,Agenda,May 10, 2011,Page 3,Agilent Technologies Japan,电磁场分析手法的特征 磁气共鸣型电力传送分析事例 2-1. 平面线圈形状的分析例 3D-planar EM Tool的适应 2-2. Meander Line 形状的分析例 3D-planar EM Tool的适应 2-3. 立体线圈形状的分析例 Full 3D EM Tool的适应,何谓电场磁场的分析?,电流,磁场,电荷保存磁束保存 高斯 电流变化 发生磁场 安培 磁场变化 发生电场 法拉第 非电荷移动的电流 （电容器电极之间） 引进变位电流 总结 Maxwell以方程式记述,S,N,磁场,电场,解开Maxwell的方程式 计算电场与磁场的关系 S参数 电流密度分布 远场放射模式,May 10, 2011,Page 4,Agilent Technologies Japan,将传送线路的特性、用信号的反射成分、传送成分、显示在周波数轴,输入信号,传送信号,反射信号,S11,S21,S22,S12,2接口的不平衡S参数,S 2 1,输入接口,输出接口,透镜、陵镜的 意象图,Return Lost VSWR(定在波比) 复素阻抗,传送损失 挿入相位 群迟延,传送系数 S21,S12,反射系数 S11,S22,何谓S参数 拥有振幅与相位情报的矩阵,May 10, 2011,Page 5,Agilent Technologies Japan,引进S参数的优势,反射、通过、其相位变化的信息全都在各周波数之中 可以连接Cascode 测定较为轻松（S参数测定不须要Open、Short） 其他的Y,Z等参数可变换成数式,S filter,S amp,S total,-3dB,15dB,12dB,S参数表记例 Touchstone档案形式,May 10, 2011,Page 6,Agilent Technologies Japan,电磁场分析的优势,设计时间 试作前 检讨设计的妥当性 What IF（变更形状的场合可以把握其特性的变化） 试作后 错误的详细分析 与实测的整合 过程性知识的累积 测定的可否 分析测定不可能的部分 (BGA Package内微细部分等等),May 10, 2011,Page 7,Agilent Technologies Japan,实际的运用方法,分析时间 电磁场分析与回路天线导体的各种分析相比须要较多时间成本 分析时间与准确度无法两全 随着用途 把握倾向 构造简略化来让计算量减轻 以精准度优先来分析 高精度设定(Mesh理想化)、 将分析对象正确的模型化 实测比较 把握输入到实测环境与电磁场分析的模型设定上的差异 完全等价 时间、金钱成本的増加 DUT治具的带宽、治具特性的De-Embedding 随着用途 把握倾向 把握形状、材质变化所造成的特性变化 将无法测定的环境性零件的书库化 追求与实测的一致性,May 10, 2011,Page 8,Agilent Technologies Japan,基本性电磁场模拟的过程,输入分析构造并定义材质 导体、诱电体、磁性体等等 将励振源与感应器定义成Port 频域 : steady state sources 时间领域 : transient sources 将分析构造分割成mesh (cell) 2D : 三角形, 四角形, etc 3D : 四面体, 六面体, etc 用Maxwell方程式计算各个 Mesh (cell) 使用的 电磁场 频域 : 定常状态计算 时间领域 : 过渡应答计算 显示分析结果 S-parameters, TDR, 天线放射模式、电场磁场分布, etc,May 10, 2011,Page 9,Agilent Technologies Japan,电磁场分析类型,3D Planar 频域,Full 3D 频域,Full 3D 时域,FDTD (时域有限差分法),FEM (有限元法),MoM (Moment法),May 10, 2011,Page 10,Agilent Technologies Japan,Moment法 (MoM),3D-Planar, 频域 将平面多层构造剖分为网格: 将导体层分割成Mesh 将电流当作未知数来分析 事先计算多层构造(基板)来制作 模型 (Greens functions) 将x-y平面当作无限大小的诱电体 频域分析: 分析Mesh间的电流 一次分析所有Port励振,Z.I=V,May 10, 2011,Page 11,Agilent Technologies Japan,有限要素法 (FEM),Full 3D, 频域 将任意的3次元构造制作成正确的模型: 将电场当作未知数来分析 定义分析空间的境界条件 周波数应答的分析: 分析Mesh间的电场 一口气分析所有Port励振,May 10, 2011,Page 12,Agilent Technologies Japan,有限差分时间领域法 (FDTD),Full 3D, 时间领域 将任意的3次元构造制作成正确的模型: 将电场与磁场当作未知数 来分析 定义分析空间的境界条件 过渡应答的分析: 每个Time Step交互分析Mesh的电场与磁场 计算时间应答到FFT的 S-parameter,May 10, 2011,Page 13,Agilent Technologies Japan,电磁场分析工具的选择基准 Planar vs. 3D Geometry,MoM 平面构造、多层基板等等的効率性分析 IC内的Passive零件 RF Print基板 PCB的高速传送路分析 (SI分析) 平面天线,FEM, FDTD 任意的3次元形状 连接器 接合线 Package 导波路 3D 天线,May 10, 2011,Page 14,Agilent Technologies Japan,电磁场分析工具的选择基准 Response / Analysis Type,MoM, FEM 频域的分析 拥有高Q特性的Application RF / MW Filter 共振器,FDTD 时间领域的分析 TDR直接观察 SI, PI分析 过渡应答,May 10, 2011,Page 15,Agilent Technologies Japan,电磁场分析工具的选择基准 Device Complexity / Problem Size,MoM, FEM 多Port Application的 効率性分析 一次执行复数Port的分析 Package 接合线,FDTD Mesh尺寸为大规模时的効率性分析 分析过渡应答 (使用内存少) 分散处理 : 对应GPU加速卡 汽车、飞行机所搭载的天线模型 包含人体的生体分析 (e.g., SAR),May 10, 2011,Page 16,Agilent Technologies Japan,电磁场分析工具选择基准的总结,Geometry Type,Planar / Multilayer,3D,MoM,Response/ Analysis Type,FEM / MoM,High Q,TDR,FDTD,Device Complexity/ Problem Size,Personal Preference,“Which EM Solver Should I Use?”,Broadband,FEM / MoM,Multi-Port,High # Mesh Cells,FDTD,Moderate Complexity,“I like Time Domain”,“I like Frequency Domain”,FEM / MoM,FDTD,May 10, 2011,Page 17,Agilent Technologies Japan,Agenda,电磁场分析手法的特征 磁气共鸣型电力传送分析事例 2-1. 平面线圈形状的分析例 3D-planar EM Tool的适应 2-2. Meander Line 形状的分析例 3D-planar EM Tool的适应 2-3. 立体线圈形状的分析例 Full 3D EM Tool的适应,May 10, 2011,Page 18,Agilent Technologies Japan,无线电力传送技术的概要,实情与现状的问题点 非接触型电力供给系统、从以前就有开始研究、实用化、其大多为利用 电磁诱导原理的系统、要同时满足传送効率与传送距离面临很大的课题。 近年、MIT提出了磁气共鸣这种方式、基于这个理论制作了试作机来 证明高输出、高効率、长距离传送的可能性。其设计必须要有回路理论、 电磁场理论等多种的知识。 主要对象Application 无线电力传送(非接触电力传送) 家电、汽车、电脑等所有须要电源的系统 电磁场模拟的导入优势 引进电磁场工具、让我们可以只用分析的形状、材质、轻松的制作磁气 共鸣电力传送的模型。另外还可以用参数交换机能来让形状参数化、求出 模型的最适点。 同时分析模型周围的形状、可以接近实际使用环境的、来对特性进行评价。,May 10, 2011,Page 19,Agilent Technologies Japan,共鸣型无线供电系统 (MIT型),MIT型的共鸣型无线供电系统1,MIT的证明实验模型1 确认到距离2.1 m传送効率40 %的成果,A, B Loop线圈 半径 : r = 250 mm 导线直径 : a= 3.0 mm S,D线圈 线圈长 : a = 200 mm 半径 : r = 300 mm 导线直径 : a= 3.0 mm 圈数 : n = 5.25 线圈材质 : 铜,May 10, 2011,Page 20,Agilent Technologies Japan,共鸣型无线供电系统 (1天线导体型),1天线导体型的共鸣型无线供电系统2,证明实验模型 确认到距离25 cm传送効率82 %的成果,螺旋天线 半径 : r = 150 mm 导线直径 : a= 2.0 mm 导线Gap : p = 5 mm 圈数 : n = 5 线圈材质 : 铜,May 10, 2011,Page 21,Agilent Technologies Japan,共鸣型无线供电系统 (电场结合型),电场结合型的共鸣型无线供电系统2,Simulation 模型2 确认到距离50 cm传送効率约70 %的成果,Meander Line 天线 天线长 : l = 500 mm 线路宽: w = 5 mm 线路Gap : s = 5 mm 段数 : n = 49,May 10, 2011,Page 22,Agilent Technologies Japan,Agenda,电磁场分析手法的特征 磁气共鸣型电力传送分析事例 2-1. 平面线圈形状的分析例 3D-planar EM Tool的适应 2-2. Meander Line 形状的分析例 3D-planar EM Tool的适应 2-2. 立体线圈形状的分析例 Full 3D EM Tool的适应,May 10, 2011,Page 23,Agilent Technologies Japan,2-1. 平面线圈形状的分析例,ADS Momentum GUI,1为了对天线导体型的共鸣型电力传送模型进行电磁场分析、使用MoM的电磁场工具、进行模型化。这是在本公司ADS Momentum所进行的分析。,螺旋天线规格 半径 : r =150 mm 导线径 : a= 0.5 mm 导线Gap : p = 5 mm 圈数 : n = 5 线圈材导电率 : 4.1e7 S/m,l = 200 mm,3D Preview画面,在3次元画面确认输入形状,可以从数据库输入 螺旋形状,May 10, 2011,Page 24,Agilent Technologies Japan,ADS Momentum进行的分析,电力传送効率 : 21 21 = 100|S21|2 %,在回路图的协调分析,距离 200 mm时、 约83 %的传送効率,将Momentum的S参数 输入回路图,S参数,电力传送効率,May 10, 2011,Page 25,Agilent Technologies Japan,参数扫描,天线间距离的不同所造成的传送効率与共振周波数的关系,S参数,电力传送効率,距离増加,距离増加,May 10, 2011,Page 26,Agilent Technologies Japan,Agenda,电磁场分析手法的特征 磁气共鸣型电力传送分析事例 2-1. 平面线圈形状的分析例 3D-planar EM Tool的适应 2-2. Meander Line 形状的分析例 3D-planar EM Tool的适应 2-2. 立体线圈形状的分析例 Full 3D EM Tool的适应,May 10, 2011,Page 27,Agilent Technologies Japan,2-2. Meander Line 形状的分析例,ADS Momentum GUI,为了对电场结合型的共鸣型电力传送模型进行电磁场分析、使用MoM电磁场工具来进行模型化。这是在本公司ADS Momentum所进行的分析。,Meander Line 天线规格 天线长 : l =500 mm 线路宽: w= 5 mm 线路Gap : s = 5 mm 段数 : n = 49 线路材导电率 : 5.8e7 S/m,l = 500 mm,3D Preview画面,在3次元画面确认输入的 形状,May 10, 2011,Page 28,Agilent Technologies Japan,ADS Momentum所进行的分析,距离 500 mm的时、 约63 %的传送効率,S参数,电力传送効率,May 10, 2011,Page 29,Agilent Technologies Japan,天线间距离的不同所造成的传送効率与共振周波数的关系,Agenda,电磁场分析手法的特征 磁气共鸣型电力传送分析事例 2-1. 平面线圈形状的分析例 3D-planar EM Tool的适应 2-2. Meander Line 形状的分析例 3D-planar EM Tool的适应 2-3. 立体线圈形状的分析例 Full 3D EM Tool的适应,May 10, 2011,Page 30,Agilent Technologies Japan,2-3. 立体线圈形状的分析例,EMPro FEM GUI,l = 1.5 m,为了对MIT型的共鸣型电力传送模型进行电磁场分析、使用FEM的电磁场工具进行模型化。这是在 本公司EMPro FEM所进行的分析。,May 10, 2011,Page 31,Agilent Technologies Japan,EMPro FEM所进行的分析,EMPro 分析结果,a) S-paremeter分析结果 (S21, S11),b) 电场分布表示 (线圈间断面),c) 磁场分布表示 (线圈间断面),距离 1.5 m时、 约75 %的传送効率,传送効率 (l = 1.5 m),送信侧,受信侧,May 10, 2011,Page 32,Agilent Technologies Japan,分析结果的比较,电力传送効率与传送距离的关系1 (MIT的理论与实验),EMPro所进行的分析结果,May 10, 2011,Page 33,Agilent Technologies Japan,模型周围环境的影响 : 金属板的効果,1.6 m 的金属板,分析金属板的影响 (天线间距离 : l = 1 m),May 10, 2011,Page 34,Agilent Technologies Japan,模型周围环境的影响 : 金属板的効果,送信侧,受信侧,电场磁场分布分析结果,传送効率的比较,金属板,May 10, 2011,Page 35,Agilent Technologies Japan,检讨传送効率的改良,l = 2.0 m,RepeaterDevice的分析 (天线间距离 : l = 2 m),a) 无RepeaterDevice,b) 有RepeaterDevice (配置于中央),RepeaterDevice,May 10, 2011,Page 36,Agilent Technologies Japan,检讨电力传送的効率化 : 传送距离 2 m,送信侧,受信侧,Repeater,传送効率比较,电场磁场分布分析结果,May 10, 2011,Page 37,Agilent Technologies Japan,今后的扩张 : 证明系统全体的传送効率,EMPro的分析结果可以Import成为A