CN117691328A - 一种提升谐振腔内电磁场分布均匀性的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升谐振腔内电磁场分布均匀性的功率分配方法，属于微波输能领域。本发明采用多种简并谐振模式迭加，先通过电磁仿真得到单个谐振模式下谐振腔内的电磁场分布，并借助MATLAB表征出不同谐振模式下准确的场分布表达式；然后在MATLAB中通过对每个谐振模式进行功率分配，并计算不同功率分配方式下样本点处磁场幅值的方差，从而快速准确地得出谐振腔内电磁场分布最均匀时的功率分配方式。本发明方法在输入总功率不变的情况下，有效提升了谐振腔内电磁场分布的均匀性，减少了谐振零点的出现，从而减少了谐振腔内输能效率低的区域，使得稳定的高效率无线输能成为可能。

Description

一种提升谐振腔内电磁场分布均匀性的功率分配方法

技术领域

本发明属于微波输能领域，具体涉及一种提升谐振腔内电磁场分布均匀性的功率分配方法。

背景技术

随着移动互联网和物联网的兴起和无线通信技术的不断革新，无线互联技术与产品在各个层面深刻影响了人们的生产和生活方式。为了解决“电能传输的最后一公里”的问题，研究人员提出了无线输能的概念。无线输能是指将能量以无线的方式从源传输到负载的一个过程。目前，无线输能技术主要有电磁感应式、磁谐振式、辐射式等。近些年，关于这些技术都有了很成熟的理论，也在一些领域上得到了成熟的商业应用。但是当收发装置距离太远或者中间有障碍物时，无线输能***效率将会急剧下降。此外，这些***大多只能进行单对单的无线输能，这极大地制约了无线输能技术在民用领域的进一步发展。因此，为了解决上述问题，在这些技术的基础上，研究人员又提出了一种空腔谐振式无线输能技术，其理论上可以实现全空间、多目标的能量传输，具有广阔的应用前景。

但是目前常用的微波谐振腔主要为单模谐振腔，如“Cavity Resonator WirelessPower Transfer System for Freely Moving Animal Experiments”，采用TM₁₁₀谐振模式。这种结构的缺点是谐振腔内部空间的电磁场分布不均，存在磁场谐振零点，导致在谐振腔内不同位置的接收到的能量也会有显著的区别。目前，研究人员大多通过动态阻抗匹配尽可能提升每一点处的效率，但是这样会大大提高***的复杂度，增加其使用成本。现在也存在一些基于多模谐振腔的无线输能***“Three-Dimensional Charging via MultimodeResonant Cavity Enabled Wireless Power Transfer”，其采用TE₀₁₁和TE₀₁₂两种谐振模式，分别工作在两个频率下，并针对不同的谐振模式设计了对应的接收端，每次需要根据接收端的位置手动选择相应的谐振模式，增加了设计的复杂性，无法在实际生活中得到应用。因此如何一方面提升谐振腔内部的场分布均匀性，另一方面尽可能消除谐振零点，减少谐振腔内无线输能效率低的区域也是当下的研究热点。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提出一种采用多种简并谐振模式迭加，提升谐振腔内电磁场分布均匀性的功率分配方法。本发明方法先通过电磁仿真得到单个谐振模式下谐振腔内的电磁场分布，并借助MATLAB准确表征出不同谐振模式下的场分布表达式；然后在MATLAB中通过对每个谐振模式进行功率分配，并计算不同功率分配方式下样本点处磁场幅值的方差，从而快速准确地得出谐振腔内电磁场分布最均匀时的功率分配方式。在输入总功率不变的情况下，提升了谐振腔内电磁场分布的均匀性，减少了谐振零点的出现，从而减少了谐振腔内输能效率低的区域，使得稳定的高效率无线输能成为可能。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种提升谐振腔内电磁场分布均匀性的功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.建立谐振腔，确定工作频率和对应的一组简并的谐振模式，谐振模式总数为N。

S2.设定磁场幅值方差函数来表征谐振腔内场分布的均匀性；其中，H_q表示谐振腔内第q个样本点的磁场幅值，/>表示谐振腔内所有样本点磁场幅值的平均值，Q＝K³表示谐振腔内分别在X、Y、Z方向均匀取K个样本点时的样本点总数。

S3-1.仿真激励谐振腔的第i个谐振模式，然后提取Q个样本点处的磁场幅值，得到第i个谐振模式的磁场幅值方差D_i；

根据第i个谐振模式的通用场分布表达式，计算Q个样本点对应的的磁场幅值方差D′_i。

S3-2.调整第i个谐振模式的场分布表达式中幅值H_i的值，使D_i与D′_i相同，从而确定第i个谐振模式下H_i的准确值，进而确定第i个谐振模式准确的场分布表达式。

S3-3.重复步骤S3-1至S3-2，确定N个谐振模式准确的场分布表达式。

S4.根据谐振模式迭加原理，将N个谐振模式准确的场分布表达式线性迭加，然后计算不同功率分配下的谐振腔内部迭加磁场的分布方差函数D，得到D最小时对应的P_i，从而最终确定功率分配方式；其中，P_i表示第i个谐振模式的功率，P_i的取值为0～1。

进一步地，在步骤S3-1、步骤S3-2，采用MATLAB计算磁场幅值方差D′_i，在步骤S4中，采用MATLAB计算不同功率分配下的谐振腔内部迭加磁场的分布方差函数D。

进一步地，所述谐振腔为金属封闭谐振腔或超表面谐振腔。

本发明的有益效果是：

本发明提出的提升谐振腔内电磁场分布均匀性的功率分配方法适用于不同尺寸的谐振腔和超表面谐振腔，具有广泛的适用范围和较强的实用性。

本发明提出的提升谐振腔内电磁场分布均匀性的功率分配方法采用简并谐振模式，即每种谐振模式的谐振频率相同，这样接收端无需进行多频工作，从而降低了***的设计复杂性。

本发明提出的提升谐振腔内电磁场分布均匀性的功率分配方法可以借助商业数学软件MATLAB进行计算，从而能够准确表征出多种模式迭加后的电磁场分布，进而快速而准确地确定优化后的不同谐振模式功率分配方式，避免了频繁导出磁场的重复工作，节省了时间和精力。

本发明提出的提升谐振腔内电磁场分布均匀性的功率分配方法能够提升谐振腔内部电磁场分布的均匀性，使接收端在谐振腔内的每个位置接收到的能量尽可能一致，避免了随着接收端在谐振腔内各个位置处的移动，电路中的输出电压有大幅度波动，从而在谐振腔内部能够进行高效稳定的无线能量传输。

本发明提出的提升谐振腔内电磁场分布均匀性的功率分配方法能够减少谐振零点的出现，从而有效减少了谐振腔内输能效率低的区域，避免了谐振腔内某些位置不能进行无线能量传输。

附图说明

图1为一种提升谐振腔内电磁场分布均匀性的功率分配方法的流程图；

图2为实施例中金属谐振腔示意图；

图3为实施例中不同功率分配下的磁场幅度方差；

图4为实施例中仿真激励出的TE₂₀₃谐振模式磁场分布(a)和最优功率分配比下磁场分布(b)整体的对比图；

图5为实施例中仿真激励出的TE₂₀₃谐振模式磁场分布(a)和最优功率分配比下磁场分布(b)正视图的对比图；

图6为实施例中仿真激励出的TE₂₀₃谐振模式磁场分布(a)和最优功率分配比下磁场分布(b)侧视图的对比图；

图7为实施例中仿真激励出的TE₂₀₃谐振模式磁场分布(a)和最优功率分配比下磁场分布(b)俯视图的对比图；

图8为在谐振腔中间位置按X方向取一条线段上的磁场分布对比图；

图9为在谐振腔中间位置按Z方向取一条线段上的磁场分布对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行进一步的说明，本发明包括但不限于下述实施例。

由于变化的电场能产生磁场，变化的磁场能产生电场，所以本实施例仅以优化磁场幅值来呈现整个流程。本实施例的流程图如图1所示，包括以下步骤：

S1.在ANSYS HFSS中建立一个如图2所示的金属封闭谐振腔，长为a，宽为b，高为d。其中a为1000mm，b为1000mm，d为1000mm。

根据谐振腔的尺寸计算得出不同谐振模式对应的谐振频率，其计算公式如(1)所示：

其中，ε为真空中介电常数，μ为真空中磁导率，每一组m、n、p值表示一种谐振模式。

根据计算可以得到该谐振腔的谐振模式从主模到高次模谐振频率。这里一方面为了尽可能多地提升谐振腔内部电磁场分布的均匀性，另一方面为了方便说明，选择具有较多简并谐振模式的一组简并谐振模式：TE₀₂₃/TE₀₃₂/TE₂₀₃/TE₃₀₂/TM₂₃₀/TM₃₂₀，谐振频率为540.4MHz。

S2.在谐振腔内按照X、Y、Z方向上各均匀选取11个样本点，共选取了Q＝1331个样本点。

S3.在ANSYS HFSS中分别激励出上述几种简并谐振模式，并提取不同谐振模式下这些样本点处的磁场幅值，计算得到不同谐振模式的磁场分布方差D_i。

在MATLAB中，根据各谐振模式的场分布表达式，计算不同谐振模式下这些样本点处的磁场幅值方差D′_i。

其中，第i个谐振模式在(x,y,z)处的通用磁场分布表达式为：

TE_mnp谐振模式：

TM_mnp谐振模式：

H_zi＝0 (7)

其中，j为虚数符号，H_i是第i个谐振模式的磁场幅值，H_xi、H_yi、H_zi分别为第i个谐振模式在坐标(x,y,z)处样本点的X、Y、Z方向的磁场分量，k_c为谐振模式的截止波数，ω为谐振模式的谐振角频率。

在公式2-公式8中，一旦谐振腔尺寸和谐振模式确定，那么大部分参量就是已知量。未知的量只有H_i，它的大小与激励信号强度有关；通过调整H_i的值，使MATLAB计算得到的样本点磁场幅值的方差和仿真得到的样本点磁场幅值的方差相同，即可得到H_i的准确值，从而可以用MATLAB准确模拟出仿真的结果。本实施例中最终得到TE₀₂₃/TE₀₃₂/TE₂₀₃/TE₃₀₂/TM₂₃₀/TM₃₂₀谐振模式对应的H_i依次为5.95、8.86、5.66、8.63、4052.75、4101.76。

S4.根据谐振模式迭加原理，如公式9-公式12所示，借助MATLAB，将不同谐振模式准确的场分布表达式线性迭加，得到迭加场下各样本点处的磁场幅值，并计算不同功率分配下这些样本点处磁场幅值方差，从而快速确定了迭加场最均匀时对应的功率分配方式。在本实施例中，最终得到TE₀₂₃/TE₀₃₂/TE₂₀₃/TE₃₀₂/TM₂₃₀/TM₃₂₀这六种谐振模式最优的功率分配方式为0W、0W、0.85W、0W、0W、0.15W。

其中，H_x、H_y、H_z分别为迭加场在(x,y,z)处样本点的X、Y、Z方向的磁场分量，H表示迭加场在(x,y,z)处样本点的磁场幅值。

图3为不同功率分配方式下谐振腔内样本点处磁场幅值的方差。可以看到，通过MATLAB最终优化出来的功率分配方式相比较单个谐振模式的磁场分布，均匀性提升了45.2％，显著改善了谐振腔内磁场分布的均匀性。

图4-图7为最终优化后功率分配方式下的磁场分布和单个谐振模式下磁场分布不同视角的对比。可以看到，通过本发明方法优化出来的功率分配方式下谐振模式的磁场分布减少了谐振零点的出现，整体的磁场分布更为均匀，这就意味着本发明的功率分配方式下谐振模式迭加场相比较单个谐振模式的磁场分布能够有效减少谐振腔内输能效率低的区域，整个谐振腔内都能实现高效稳定的无线能量传输。

图8-图9分别为在谐振腔中间位置按X和Z方向取一条线段上的磁场分布。可以看到多模迭加下的磁场分布能够保留单个谐振模式下最大幅值不变的同时，提高了最小值，尽可能多地消除了谐振零点。

综上所述，采用本发明方法可以在较短的时间内快速确定最优化的不同谐振模式功率分配方式，极大地提高了效率，避免了频繁导出磁场的重复工作，节省了时间和精力。

值得注意的是，本实施例只是作为本发明方法的一种说明，还可以选择不同的高次简并谐振模式，实现不同的效果。此外本发明在误差允许的范围内，可以进一步简化流程，不需要进行电磁仿真，仅仅通过MATLAB计算，根据电磁能量守恒就可确定不同谐振模式对应的H_i之间的比例关系，仍然可以得到优化后的结果，这种简化的方法是一种定性研究的方法，优点是速度更快，缺点是太理想化，准确性要差一些，误差在5％左右。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.一种提升谐振腔内电磁场分布均匀性的功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.建立谐振腔，确定工作频率和对应的一组简并的谐振模式，谐振模式总数为N；

S2.设定磁场幅值方差函数来表征谐振腔内场分布的均匀性；其中，H_q表示谐振腔内第q个样本点的磁场幅值，/>表示谐振腔内所有样本点磁场幅值的平均值，Q＝K³表示谐振腔内分别在X、Y、Z方向均匀取K个样本点时的样本点总数；

S3-1.仿真激励谐振腔的第i个谐振模式，然后提取Q个样本点处的磁场幅值，得到第i个谐振模式的磁场幅值方差D_i；

根据第i个谐振模式的通用场分布表达式，计算Q个样本点对应的的磁场幅值方差D′_i；

S3-2.调整第i个谐振模式的场分布表达式中幅值H_i的值，使D_i与D′_i相同，从而确定第i个谐振模式下H_i的准确值，进而确定第i个谐振模式准确的场分布表达式；

S3-3.重复步骤S3-1至S3-2，确定N个谐振模式准确的场分布表达式；

S4.根据谐振模式迭加原理，将N个谐振模式准确的场分布表达式线性迭加，然后计算不同功率分配下的谐振腔内部迭加磁场的分布方差函数D，得到D最小时对应的P_i，从而最终确定功率分配方式；其中，P_i表示第i个谐振模式的功率，P_i的取值为0～1。

2.如权利要求1所述的一种提升谐振腔内电磁场分布均匀性的功率分配方法，其特征在于，在步骤S3-1、步骤S3-2，采用MATLAB计算磁场幅值方差D′_i，在步骤S4中，采用MATLAB计算不同功率分配下的谐振腔内部迭加磁场的分布方差函数D。

3.如权利要求1或2所述的一种提升谐振腔内电磁场分布均匀性的功率分配方法，其特征在于，所述谐振腔为金属封闭谐振腔或超表面谐振腔。