Беспроводная передача энергии предусматривает передачу энергии между приемником и передатчиком и используется для беспроводной зарядки электронных устройств, например мобильных телефонов или электромобилей. Несмотря на то, что технология беспроводной передачи энергии сулит множество выгод, ее реализация связана с определенными трудностями. Именно здесь на помощь приходит моделирование. Например, для обеспечения надлежащей работы некоторых беспроводных систем требуется определенная направленность антенны. Сегодня мы рассмотрим, каким образом взаимное расположение влияет на работу двух антенн беспроводной передачи энергии.
Введение в технологию беспроводной передачи энергии
Электронные устройства являются ключевым элементом нашей повседневной жизни. Представьте, как было бы здорово иметь возможность заряжать эти устройства без использования проводов. Развитие технологии беспроводной передачи энергии дает нам такую возможность, упрощая зарядку и подзарядку электронных устройств, в том числе и нескольких устройств одновременно. По мере развития технологии беспроводная зарядка электронных устройств находит применение в новых сферах — от телефонов до электромобилей.
Как мы уже отмечали, технология беспроводной передачи энергии достаточно универсальна, поскольку она обеспечивает передачу электрической энергии без использования твердотельных кабелей и проводников. В общем случае энергия между двумя отдельными объектами передается посредством электромагнитного поля. Модуль передачи энергии, подключенный к источнику питания, создает магнитное поле, а модуль приема энергии принимает и преобразует энергию в подходящую для использования.
Положение модулей передатчика и приемника относительно друг друга является важной составляющей работы некоторых систем беспроводной передачи энергии, так как оно может оказывать значительное влияние на передачу энергии. В этом случае для того, чтобы зарядить то или иное электронное устройство, его необходимо точно размещать на контактной площадке модуля передачи энергии. Но с какого момента отсутствие точной подстройки модулей передатчика и приемника начинает оказывать негативное влияние на процесс передачи энергии?
Для того чтобы ответить на вопрос, каким образом взаимное расположение влияет на работу антенн беспроводной передачи энергии, обратимся к моделированию.
Анализ антенн для беспроводной передачи энергии
Учебная модель, с которой мы сегодня будем работать, исследует процесс передачи энергии между круглыми рамочными антеннами. В этом примере каждая антенна выполнена из пластины из фторопласта (PTFE), на поверхность которой нанесен тонкий слой меди, моделируемый как идеальный электрический проводник.
На каждой из антенн есть сосредоточенная катушка индуктивности и сосредоточенный порт, который возбуждает антенну и прекращает ее работу. Рабочая частота УВЧ RFID-компонентов антенн составляет 915 МГц, а их форма заведомо обеспечивает возможность индуктивной связи.
В модели представлены две антенны: антенна-приемник выполнена вращающейся, в то время как положение антенны-передатчика фиксировано. Данная модель аналогична ситуации, при которой положение зарядного устройства неизменно, а мобильный телефон размещается на нем под различными углами.
Изменение направленности антенны позволяет нам определить влияние изменения положения на передачу энергии. Для визуализации данного явления мы моделируем распределение электрического поля и поток энергии, поступающий от передатчика к приемнику под различными углами.
Мы видим, что, когда антенны направлены в сторону друг друга (угол вращения антенны-приемника составляет 0 градусов), их поля сильно взаимосвязаны, что свидетельствует об успешной беспроводной передаче энергии. Однако к тому моменту, когда величина угла вращения антенны-приемника достигает 90 градусов, мы не наблюдаем никаких изменений поля при прохождении энергии сквозь антенну-приемник. При таком положении передача энергии практически не происходит, так как на поверхности антенны почти не образуется контактное пятно. Таким образом, мы приходим к выводу, что под данным углом передача энергии между двумя антеннами значительно сокращается.
В дальнейшем мы сможем расширить функциональность антенн для беспроводной передачи энергии, создавая системы, сохраняющие свои эксплуатационные характеристики в широком диапазоне взаимных расположений, что позволит заряжать электронные устройства, не задумываясь об их положении.
Следующие шаги
- Скачайте учебную модель: Моделирование беспроводной передачи энергии в круглых рамочных антеннах
- Прочтите статью о беспроводной передаче энергии, помещенную на странице 8 журнала Multiphysics Simulation за 2015 год, приложения к журналу IEEE Spectrum
#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol