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1、电磁谐振型无线电力传送的电磁谐振型无线电力传送的电磁场分析案例电磁场分析案例May 10, 2021Page 1Agilent Technologies JapanAgenda1.电磁场分析手法的特征 2.磁气共鸣型电力传送分析事例2-1. 平面线圈外形的分析例3D-planar EM Tool的顺应2-2. Meander Line 外形的分析例3D-planar EM Tool的顺应2-3. 立体线圈外形的分析例Full 3D EM Tool的顺应May 10, 2021Page 2Agilent Technologies JapanAgendaMay 10, 2021Page 3Agil
2、ent Technologies Japan1.电磁场分析手法的特征 2.磁气共鸣型电力传送分析事例2-1. 平面线圈外形的分析例3D-planar EM Tool的顺应2-2. Meander Line 外形的分析例3D-planar EM Tool的顺应2-3. 立体线圈外形的分析例Full 3D EM Tool的顺应何谓电场磁场的分析?电流磁场电荷保管磁束保管高斯电流变化 发生磁场安培磁场变化 发生电场法拉第非电荷挪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SN磁场电场有电荷这个源头存在存在、从中冒出没有磁荷这个源头、不会冒出磁场变化会发明涡状电场电场的变化会发明
3、涡状磁场Maxwell方程式解开Maxwell的方程式计算电场与磁场的关系S参数 电流密度分布 远场放射方式May 10, 2021Page 4Agilent 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S11S21被测定物S22S122接口的不平衡接口的不平衡S参数参数S 2 1输输入接口入接口输输出接口出接口22211211SSSS透镜、陵镜的意象图1.Return Lost2.VSWR(定在波比)3.复素阻抗1.传送损失2.挿入相位3.群迟延传传送系数送
4、系数S21,S12S21,S12反射系数反射系数 S11,S22何谓S参数拥有振幅与相位情报的矩阵May 10, 2021Page 5Agilent Technologies Japan引进S参数的优势l反射、经过、其相位变化的信息全都在各周波数之中l可以衔接Cascodel测定较为轻松S参数测定不需求Open、Shortl其他的Y,Z等参数可变换成数式S filterS ampS total-3dB15dB12dBS参数表记例 Touchstone档案方式May 10, 2021Page 6Agilent 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Wh
5、at IF变卦外形的场所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能够的部分 (BGA Package内微细部分等等)May 10, 2021Page 7Agilent Technologies Japan实践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需求较多时间本钱分析时间与准确度无法两全随着用途把握倾向构造简单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别完全等价时间、金钱本钱的増加DUT治具的带宽、治具特性的De-Embedding随
6、着用途把握倾向把握外形、材量变化所呵斥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, 2021Page 8Agilent Technologies Japan根本性电磁场模拟的过程1.输入分析构造并定义材质2.导体、诱电体、磁性体等等3.将励振源与感应器定义成Port4.频域 : steady state sources5.时间领域 : transient sources6.将分析构造分割成mesh (cell)7.2D : 三角形, 四角形, etc8.3D : 四面体, 六面体, etc9.用Maxwell方程式计算各个 Mesh (cell) 运用的 电磁场10
7、.频域 : 定常形状计算11.时间领域 : 过渡应对计算12.显示分析结果13.S-parameters, TDR, 天线放射方式、电场磁场分布, etcMay 10, 2021Page 9Agilent Technologies Japan电磁场分析类型3D Planar频域Full 3D频域Full 3D时域FDTD (时时域有限差分法域有限差分法)FEM (有限元法有限元法)MoM (Moment法法)May 10, 2021Page 10Agilent Technologies JapanMoment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Mes
8、h将电流当作未知数来分析事先计算多层构造(基板)来制造模型 (Greens functions)将x-y平面当作无限大小的诱电体频域分析:分析Mesh间的电流一次分析一切Port励振B1(r)B2(r)B3(r)I1I2I3S1S2Z.I=VMay 10, 2021Page 11Agilent Technologies Japan有限要素法 (FEM)Full 3D, 频域将恣意的3次元构造制形成正确的模型: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对的分析:分析Mesh间的电场一口气分析一切Port励振May 10, 2021Page 12Agilent Technologies
9、Japan有限差分时间领域法 (FDTD)Full 3D, 时间领域将恣意的3次元构造制形成正确的模型: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对的分析:每个Time Step交互分析Mesh的电场与磁场计算时间应对到FFT的 S-parametert1t2May 10, 2021Page 13Agilent Technologies Japan电磁场分析工具的选择基准Planar vs. 3D GeometryMoM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恣意的3次元外形衔
10、接器接合线Package导波路3D 天线May 10, 2021Page 14Agilent Technologies Japan电磁场分析工具的选择基准 Response / Analysis TypeMoM, FEM频域的分析拥有高Q特性的ApplicationRF / MW Filter共振器FDTD时间领域的分析TDR直接察看SI, PI分析过渡应对May 10, 2021Page 15Agilent Technologies Japan电磁场分析工具的选择基准Device Complexity / Problem SizeMoM, FEM多Port Application的 効率性分
11、析一次执行复数Port的分析Package接合线FDTDMesh尺寸为大规模时的効率性分析分析过渡应对 (运用内存少)分散处置 : 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, 2021Page 16Agilent Technologies Japan电磁场分析工具选择基准的总结Geometry TypePlanar / Multilayer3DMoMResponse/ Analysis TypeFEM / MoMHigh QTDRFDTDDevice Complexity/ Problem Size Personal Preferenc
12、e“Which EM Solver Should I Use?BroadbandFEM / MoMMulti-PortHigh # Mesh CellsFDTDModerate Complexity“I like Time Domain“I like Frequency DomainFEM / MoMFDTDMay 10, 2021Page 17Agilent Technologies JapanAgenda1.电磁场分析手法的特征 2.磁气共鸣型电力传送分析事例2-1. 平面线圈外形的分析例3D-planar EM Tool的顺应2-2. Meander Line 外形的分析例3D-plan
13、ar EM Tool的顺应2-3. 立体线圈外形的分析例Full 3D EM Tool的顺应May 10, 2021Page 18Agilent Technologies Japan无线电力传送技术的概要实情与现状的问题点实情与现状的问题点非接触型电力供应系统、从以前就有开场研讨、适用非接触型电力供应系统、从以前就有开场研讨、适用化、其大多为利用化、其大多为利用 电磁诱导原理的系统、要同时满足电磁诱导原理的系统、要同时满足传送効率与传送间隔面临很大的课题。传送効率与传送间隔面临很大的课题。 近年、近年、MITMIT提提出了磁气共鸣这种方式、基于这个实际制造了试出了磁气共鸣这种方式、基于这个实际
14、制造了试作机来作机来 证明高输出、高効率、长间隔传送的能够性。证明高输出、高効率、长间隔传送的能够性。其设计必需求有回路实际、其设计必需求有回路实际、 电磁场实际等多种的知识。电磁场实际等多种的知识。主要对象主要对象ApplicationApplication无线电力传送无线电力传送( (非接触电力传送非接触电力传送) )家电、汽车、电脑等一切需求电源的系统家电、汽车、电脑等一切需求电源的系统电磁场模拟的导入优势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外形、材质、引进电磁场工具、让我们可以只用分析的外形、材质、轻松的制造磁气轻松的制造磁气 共鸣电力传送的模型。另外还可以用共鸣电
15、力传送的模型。另外还可以用参数交换机能来让外形参数化、求出参数交换机能来让外形参数化、求出 模型的最适点。模型的最适点。同时分析模型周围的外形、可以接近实践运用环境的、同时分析模型周围的外形、可以接近实践运用环境的、来对特性进展评价。来对特性进展评价。May 10, 2021Page 19Agilent 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1ABSDMIT的证明实验模型1确认到间隔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 mmS,D线圈线圈长 : a = 200 m
16、m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, 2021Page 20Agilent 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间隔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, 2021Page 21Agilent Technologies Japan共鸣型无线供电系统 (电场结合型)电场结合型的共鸣
17、型无线供电系统2Simulation 模型2确认到间隔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 = 49May 10, 2021Page 22Agilent Technologies JapanlwAgenda1.电磁场分析手法的特征 2.磁气共鸣型电力传送分析事例2-1. 平面线圈外形的分析例3D-planar EM Tool的顺应2-2. Meander Line 外形的分析例3D-planar EM Tool的顺应2-2. 立体线圈外形的分析例Full 3D EM
18、 Tool的顺应May 10, 2021Page 23Agilent Technologies Japan2-1.平面线圈外形的分析例ADS Momentum GUI1为了对天线导体型的共鸣型电力传送模型进展电磁场分析、运用MoM的电磁场工具、进展模型化。这是在本公司ADS Momentum所进展的分析。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/ml = 200 mm3D Preview画面在3次元画面确认输入外形可以从数据库输入螺旋外形May 10, 2021Page 24Agi
19、lent Technologies JapanADS Momentum进展的分析电力传送効率 : 21 21 = 100|S21|2 %在回路图的协调分析间隔 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, 2021Page 25Agilent Technologies Japan参数扫描天线间间隔的不同所呵斥的传送効率与共振周波数的关系S参数电力传送効率间隔増加间隔増加May 10, 2021Page 26Agilent Technologies JapanAgenda1.电磁场分析手法的特征 2.磁气共鸣型电力传送分析事例2-1.
20、平面线圈外形的分析例3D-planar EM Tool的顺应2-2. Meander Line 外形的分析例3D-planar EM Tool的顺应2-2. 立体线圈外形的分析例Full 3D EM Tool的顺应May 10, 2021Page 27Agilent Technologies Japan2-2.Meander Line 外形的分析例ADS Momentum GUI为了对电场结合型的共鸣型电力传送模型进展电磁场分析、运用MoM电磁场工具来进展模型化。这是在本公司ADS Momentum所进展的分析。Meander Line 天线规格天线长 : l =500 mm线路宽: w= 5
21、 mm线路Gap : s = 5 mm段数 : n = 49线路材导电率 : 5.8e7 S/ml = 500 mm3D Preview画面在3次元画面确认输入的 外形May 10, 2021Page 28Agilent Technologies JapanADS Momentum所进展的分析间隔 500 mm的时、约63 %的传送効率S参数电力传送効率May 10, 2021Page 29Agilent Technologies Japan天线间间隔的不同所呵斥的传送効率与共振周波数的关系l = 200 mml = 300 mml = 400 mml = 500 mmS电力伝送効率Agend
22、a1.电磁场分析手法的特征 2.磁气共鸣型电力传送分析事例2-1. 平面线圈外形的分析例3D-planar EM Tool的顺应2-2. Meander Line 外形的分析例3D-planar EM Tool的顺应2-3. 立体线圈外形的分析例Full 3D EM Tool的顺应May 10, 2021Page 30Agilent Technologies Japan2-3.立体线圈外形的分析例EMPro FEM GUIl = 1.5 m为了对MIT型的共鸣型电力传送模型进展电磁场分析、运用FEM的电磁场工具进展模型化。这是在 本公司EMPro FEM所进展的分析。May 10, 2021P
23、age 31Agilent Technologies JapanEMPro FEM所进展的分析EMPro 分析结果a) S-paremeter分析结果 (S21, S11)b) 电场分布表示 (线圈延续面)c) 磁场分布表示 (线圈延续面)间隔 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, 2021Page 32Agilent Technologies Japan分析结果的比较电力传送効率与传送间隔的关系1(MIT的实际与实验)EMPro所进展的分析结果May 10, 2021Page 33Agilent Technologies Japan模型
24、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 (天线间间隔 : l = 1 m)May 10, 2021Page 34Agilent Technologies Japanl = 1.0 m 金属板无l = 1.0 m 金属板有E-fieldH-field模型周围环境的影响 : 金属板的効果送信侧受信侧分析模型传送効率 %无金属板90.1有金属板56.7电场磁场分布分析结果传送効率的比较金属板May 10, 2021Page 35Agilent Technologies Japan检讨传送効率的改良l = 2.0 mRepeaterDevice的分析 (天线间间隔 : l
25、 = 2 m)a) 无RepeaterDeviceb) 有RepeaterDevice (配置于中央)RepeaterDeviceMay 10, 2021Page 36Agilent Technologies Japan检讨电力传送的効率化 : 传送间隔 2 m无Repeater Device有Repeater DeviceE-fieldH-field送信侧受信侧Repeater分析模型传送効率 %无Repeater Device 48.4有Repeater Device 80.1传送効率比较电场磁场分布分析结果May 10, 2021Page 37Agilent Technologies J
26、apan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ADS DesignKit在ADS回路仿真器上、可以分析包含信号发生回路、整流回路在内的整体系统May 10, 2021Page 38Agilent Technologies Japan总结以上引见了3种类型的电磁场分析工具的特征。引见了运用ADS Momentum、EMPro FEM 来分析 磁气共鸣型无线电力传送的手法。MIT的论文所刊登的实验结果、与EMPro FEM的分析结果、 显示出非常好的相关性。 Agilent预备有3种类的电磁场工具、 可以提供证明各种电磁场効果的环境。May 10, 2021
27、Page 39Agilent Technologies JapanReferences1 A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J.D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljai : “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances, Science, 317, pp. 83-86 (2007)2T. Imura, H. Okabe, T. Uchida, Y. Hori : “Wireless Power Transfer during Displacement Using Electromagnetic Coupling in Resonance, IEEJ Trans, Vol.130, No.1, pp.76-83 (2021)May 10, 2021Page 40Agilent Technologies JapanContact UsAgilent Technologies JapanMay 10, 2021Page 41home.agilent/
