無線電力傳輸仿真

1、Agenda 1. 電磁場分析手法的特征 2. 磁氣共鳴型電力傳送分析事例 2-1. 平面線圈形狀的分析例 3D-planar EM Tool的適應(yīng) 2-2. Meander Line 形狀的分析例 3D-planar EM Tool的適應(yīng) 2-3. 立體線圈形狀的分析例 Full 3D EM Tool的適應(yīng) May 10, 2011Page 1 Agilent Technologies Japan Agenda May 10, 2011Page 2 Agilent Technologies Japan 1. 電磁場分析手法的特征 2. 磁氣共鳴型電力傳送分析事例 2-1. 平面線圈形狀的分析

2、例 3D-planar EM Tool的適應(yīng) 2-2. Meander Line 形狀的分析例 3D-planar EM Tool的適應(yīng) 2-3. 立體線圈形狀的分析例 Full 3D EM Tool的適應(yīng) 何謂何謂電場磁場的分析電場磁場的分析? ? 電流 磁場 電荷保存磁束保存高斯 電流變化 發(fā)生磁場安培 磁場變化 發(fā)生電場法拉第 非電荷移動的電流 （電容器電極之間） 引進變位電流 總結(jié) Maxwellaxwell以方程式記述 S N 磁場 電場 有電荷這個源頭存在存在、 從中冒出 沒有磁荷這個源頭、不會冒出 磁場變化會創(chuàng)造渦狀電場 電場的變化會創(chuàng)造渦狀磁場 Maxwell方程式 解開Max

3、well的方程式 計算電場與磁場的關(guān)系 S參數(shù) 電流密度分布 遠(yuǎn)場放射模式 May 10, 2011Page 3 Agilent Technologies Japan 將將傳送線路的特性、傳送線路的特性、用用信號的反射成分、傳送成分、信號的反射成分、傳送成分、顯示在顯示在周波數(shù)軸周波數(shù)軸 輸入信號 傳送信號 反射信號 S11 S21 被測定物 S22 S12 2接口的不平衡S參數(shù) S 2 1 輸入接口輸出接口 2221 1211 SS SS 透鏡、陵鏡的 意象圖 1.Return Lost 2.VSWR(定在波比) 3.復(fù)素阻抗 1.傳送損失 2.挿入相位 3.群遲延 傳送系數(shù) S21,S12

4、 反射系數(shù) S11,S22 何謂何謂S S參數(shù)參數(shù) 擁有擁有振幅振幅與與相位情報相位情報的的矩陣矩陣 May 10, 2011Page 4 Agilent Technologies Japan 引進引進S S參數(shù)的優(yōu)勢參數(shù)的優(yōu)勢 l反射、通過、其相位變化的信息全都在各周波數(shù)之中 l可以連接Cascode l測定較為輕松（S參數(shù)測定不須要Open、Short） l其他的Y,Z等參數(shù)可變換成數(shù)式 S filterS amp S total -3dB15dB 12dB S參數(shù)表記例 Touchstone檔案形式 May 10, 2011Page 5 Agilent Technologies Japa

5、n 電磁場分析的優(yōu)勢 設(shè)計時間 試作前 檢討設(shè)計的妥當(dāng)性 What IF（變更形狀的場合可以把握其特性的變化） 試作后 錯誤的詳細(xì)分析 與實測的整合過程性知識的累積 測定的可否 分析測定不可能的部分 (BGA Package內(nèi)微細(xì)部分等等) May 10, 2011Page 6 Agilent Technologies Japan 實際的運用方法 分析時間 電磁場分析與回路天線導(dǎo)體的各種分析相比須要較多時間成 本 分析時間與準(zhǔn)確度無法兩全 隨著用途 把握傾向構(gòu)造簡略化來讓計算量減輕 以精準(zhǔn)度優(yōu)先來分析高精度設(shè)定(Mesh理想化)、 將分析對象正確的模型化 實測比較 把握輸入到實測環(huán)境與電磁場分

6、析的模型設(shè)定上的差異 完全等價時間、金錢成本的増加 DUT治具的帶寬、治具特性的De-Embedding 隨著用途 把握傾向把握形狀、材質(zhì)變化所造成的特性變化 將無法測定的環(huán)境性零件的書庫化追求與實測的一致性 May 10, 2011Page 7 Agilent Technologies Japan 基本基本性性電磁場模擬的過程電磁場模擬的過程 1. 輸入分析構(gòu)造并定義材質(zhì) 導(dǎo)體、誘電體、磁性體等等 2. 將勵振源與感應(yīng)器定義成 Port 頻域 : steady state sources 時間領(lǐng)域 : transient sources 3. 將分析構(gòu)造分割成mesh (cell) 2D :

7、 三角形, 四角形, etc 3D : 四面體, 六面體, etc 4. 用Maxwell方程式計算各個 Mesh (cell) 使用的 電磁場 頻域 : 定常狀態(tài)計算 時間領(lǐng)域 : 過渡應(yīng)答計算 5. 顯示分析結(jié)果 S-parameters, TDR, 天線放射模式、 電場磁場分布, etc May 10, 2011Page 8 Agilent Technologies Japan 電磁場分析電磁場分析類型類型 3D Planar 頻域 Full 3D 頻域 Full 3D 時域 FDTD (時域有限差分法)FEM (有限元法) MoM (Moment法) May 10, 2011Page

8、9 Agilent Technologies Japan Moment法 (MoM) 3D-Planar, 頻域 將平面多層構(gòu)造剖分為網(wǎng) 格: 將導(dǎo)體層分割成Mesh 將電流當(dāng)作未知數(shù)來分析 事先計算多層構(gòu)造(基板)來制作 模型 (Greens functions) 將x-y平面當(dāng)作無限大小的誘電體 頻域分析: 分析Mesh間的電流 一次分析所有Port勵振 B1(r)B2(r)B3(r) I1 I2 I3 S1S2 Z.I=V May 10, 2011Page 10 Agilent Technologies Japan 有限要素法 (FEM) Full 3D, 頻域 將任意的3次元構(gòu)造制作

9、成正確的模型: 將電場當(dāng)作未知數(shù)來分析 定義分析空間的境界條件 周波數(shù)應(yīng)答的分析: 分析Mesh間的電場 一口氣分析所有Port勵振 May 10, 2011Page 11 Agilent Technologies Japan 有限差分時間領(lǐng)域法 (FDTD) Full 3D, 時間領(lǐng)域 將任意的3次元構(gòu)造制 作成正確的模型: 將電場與磁場當(dāng)作未知數(shù) 來分析 定義分析空間的境界條件 過渡應(yīng)答的分析: 每個Time Step交互分析Mesh的電場與磁 場 計算時間應(yīng)答到FFT的 S- parameter t1 t2 May 10, 2011Page 12 Agilent Technologies

10、 Japan 電磁場分析工具的選擇基準(zhǔn) Planar vs. 3D Geometry MoM 平面構(gòu)造、多層基板等等 的効率性分析 - IC內(nèi)的Passive零件 - RF Print基板 - PCB的高速傳送路分析 (SI分析) - 平面天線 FEM, FDTD 任意的3次元形狀 - 連接器 - 接合線 - Package - 導(dǎo)波路 - 3D 天線 May 10, 2011Page 13 Agilent Technologies Japan 電磁場分析工具的選擇基準(zhǔn) Response / Analysis Type MoM, FEM 頻域的分析 擁有高Q特性的 Application RF

11、 / MW Filter 共振器 FDTD 時間領(lǐng)域的分析 TDR直接觀察 SI, PI分析 過渡應(yīng)答 May 10, 2011Page 14 Agilent Technologies Japan 電磁場分析工具的選擇基準(zhǔn) Device Complexity / Problem Size MoM, FEM 多Port Application的 効率性分析 一次執(zhí)行復(fù)數(shù)Port的分析 Package 接合線 FDTD Mesh尺寸為大規(guī)模時的 効率性分析 分析過渡應(yīng)答 (使用內(nèi)存少) 分散處理 : 對應(yīng)GPU加速卡 汽車、飛行機所搭載的天線模 型 包含人體的生體分析 (e.g., SAR) Ma

12、y 10, 2011Page 15 Agilent Technologies Japan 電磁場分析工具選擇基準(zhǔn)的電磁場分析工具選擇基準(zhǔn)的總結(jié)總結(jié) Geometry Type Planar / Multilayer 3D MoM Response/ Analysis Type FEM / MoM High QTDR FDTD Device Complexity/ Problem Size Personal Preference “Which EM Solver Should I Use?” Broadband FEM / MoM Multi- Port High # Mesh Cells FD

13、TD Moderate Complexity “I like Time Domain” “I like Frequency Domain” FEM / MoM FDTD May 10, 2011Page 16 Agilent Technologies Japan Agenda 1. 電磁場分析手法的特征 2. 磁氣共鳴型電力傳送分析事例 2-1. 平面線圈形狀的分析例 3D-planar EM Tool的適應(yīng) 2-2. Meander Line 形狀的分析例 3D-planar EM Tool的適應(yīng) 2-3. 立體線圈形狀的分析例 Full 3D EM Tool的適應(yīng) May 10, 2011

14、Page 17 Agilent Technologies Japan 無線電力傳送技術(shù)的概要 實情實情與與現(xiàn)狀的問題點現(xiàn)狀的問題點 非接觸型電力供給系統(tǒng)、從以前就有開始研究、實用化、其大多為利 用 電磁誘導(dǎo)原理的系統(tǒng)、要同時滿足傳送効率與傳送距離面臨很大的 課題。 近年、MIT提出了磁氣共鳴這種方式、基于這個理論制作 了試作機來 證明高輸出、高効率、長距離傳送的可能性。其設(shè)計必 須要有回路理論、 電磁場理論等多種的知識。 主主要要對象對象ApplicationApplication 無線電力傳送(非接觸電力傳送) 家電、汽車、電腦等所有須要電源的系統(tǒng) 電磁場模擬的導(dǎo)入優(yōu)勢電磁場模擬的導(dǎo)入優(yōu)勢

15、引進電磁場工具、讓我們可以只用分析的形狀、材質(zhì)、輕松的制作磁 氣 共鳴電力傳送的模型。另外還可以用參數(shù)交換機能來讓形狀參數(shù)化、 求出 模型的最適點。 同時分析模型周圍的形狀、可以接近實際使用環(huán)境的、來對特性進行評 價。 May 10, 2011Page 18 Agilent Technologies Japan 共鳴型無線供電系統(tǒng) (MIT型) MIT型的共鳴型無線供電系統(tǒng)1 A B SD MIT的證明實驗?zāi)Ｐ? 確認(rèn)到距離2.1 m傳送効率40 %的成果 A, B Loop線圈 半徑 : r = 250 mm 導(dǎo)線直徑 : a= 3.0 mm S,D線圈 線圈長 : a = 200 mm 半

16、徑 : r = 300 mm 導(dǎo)線直徑 : a= 3.0 mm 圈數(shù) : n = 5.25 線圈材質(zhì) : 銅 May 10, 2011Page 19 Agilent Technologies Japan 共鳴型無線供電系統(tǒng) (1天線導(dǎo)體型) 1天線導(dǎo)體型的共鳴型無線供電系統(tǒng)2 證明實驗?zāi)Ｐ?確認(rèn)到距離25 cm傳送効率82 %的成果 螺旋天線 半徑 : r = 150 mm 導(dǎo)線直徑 : a= 2.0 mm 導(dǎo)線Gap : p = 5 mm 圈數(shù) : n = 5 線圈材質(zhì) : 銅 May 10, 2011Page 20 Agilent Technologies Japan 共鳴型無線供電系統(tǒng)

17、(電場結(jié)合型) 電場結(jié)合型的共鳴型無線供電系統(tǒng)2 Simulation 模型2 確認(rèn)到距離50 cm傳送効率約70 %的成果 Meander Line 天線 天線長 : l = 500 mm 線路寬: w = 5 mm 線路Gap : s = 5 mm 段數(shù) : n = 49 May 10, 2011Page 21 Agilent Technologies Japan l w Agenda 1. 電磁場分析手法的特征 2. 磁氣共鳴型電力傳送分析事例 2-1. 平面線圈形狀的分析例 3D-planar EM Tool的適應(yīng) 2-2. Meander Line 形狀的分析例 3D-planar

18、EM Tool的適應(yīng) 2-2. 立體線圈形狀的分析例 Full 3D EM Tool的適應(yīng) May 10, 2011Page 22 Agilent Technologies Japan 2-1.2-1.平面線圈形狀的分析例平面線圈形狀的分析例 ADS Momentum GUI 1為了對天線導(dǎo)體型的共鳴型電力傳送模型進行電磁場分析、使用MoM的電磁場工具、進行模型化。 這是在本公司ADS Momentum所進行的分析。 螺旋天線規(guī)格 半徑 : r =150 mm 導(dǎo)線徑 : a= 0.5 mm 導(dǎo)線Gap : p = 5 mm 圈數(shù) : n = 5 線圈材導(dǎo)電率 : 4.1e7 S/m l =

19、200 mm 3D Preview畫面 在3次元畫面 確認(rèn)輸入形狀 可以從數(shù)據(jù)庫輸入 螺旋形狀 May 10, 2011Page 23 Agilent Technologies Japan ADS MomentumADS Momentum進行的進行的分析分析 電力傳送効率 : 21 21 = 100|S21|2 % 在回路圖的協(xié)調(diào)分析 距離 200 mm時、 約約83 %83 %的傳送効率 將Momentum的S參數(shù) 輸入回路圖 S參數(shù)電力傳送効率 May 10, 2011Page 24 Agilent Technologies Japan 參數(shù)掃描 天線間距離的不同所造成的傳送効率與共振周波

20、數(shù)的關(guān)系 S參數(shù)電力傳送効率 距離増加 距離増加 May 10, 2011Page 25 Agilent Technologies Japan Agenda 1. 電磁場分析手法的特征 2. 磁氣共鳴型電力傳送分析事例 2-1. 平面線圈形狀的分析例 3D-planar EM Tool的適應(yīng) 2-2. Meander Line 形狀的分析例 3D-planar EM Tool的適應(yīng) 2-2. 立體線圈形狀的分析例 Full 3D EM Tool的適應(yīng) May 10, 2011Page 26 Agilent Technologies Japan 2-2.2-2.Meander Line Mean

21、der Line 形狀的分析例形狀的分析例 ADS Momentum GUI 為了對電場結(jié)合型的共鳴型電力傳送模型進行電磁場分析、使用MoM電磁場工具來進行模型化。這是 在本公司ADS Momentum所進行的分析。 Meander Line 天線規(guī)格 天線長 : l =500 mm 線路寬: w= 5 mm 線路Gap : s = 5 mm 段數(shù) : n = 49 線路材導(dǎo)電率 : 5.8e7 S/m l = 500 mm 3D Preview畫面 在3次元畫面 確認(rèn)輸入的 形狀 May 10, 2011Page 27 Agilent Technologies Japan ADS Momen

22、tum所進行的分析 距離 500 mm的時、 約63 %的傳送効率 S參數(shù) 電力傳送効率 May 10, 2011Page 28 Agilent Technologies Japan 天線間距離的不同所造成的傳送効率與共振周波數(shù)的關(guān)系 l = 200 mml = 300 mml = 400 mml = 500 mm S 電力伝送効率 Agenda 1. 電磁場分析手法的特征 2. 磁氣共鳴型電力傳送分析事例 2-1. 平面線圈形狀的分析例 3D-planar EM Tool的適應(yīng) 2-2. Meander Line 形狀的分析例 3D-planar EM Tool的適應(yīng) 2-3. 立體線圈形狀

23、的分析例 Full 3D EM Tool的適應(yīng) May 10, 2011Page 29 Agilent Technologies Japan 2-3.2-3.立體線圈形狀的分析例立體線圈形狀的分析例 EMPro FEM GUI l = 1.5 m 為了對MIT型的共鳴型電力傳送模型進行電磁場分析、使用FEM的電磁場工具進行模型化。這是在 本公司EMPro FEM所進行的分析。 May 10, 2011Page 30 Agilent Technologies Japan EMPro FEM所進行的分析 EMPro 分析結(jié)果 a) S-paremeter分析結(jié)果 (S21, S11) b) 電場分

24、布表示 (線圈間斷面)c) 磁場分布表示 (線圈間斷面) 距離 1.5 m時、 約75 %的傳送効率 傳送効率 (l = 1.5 m) 送信側(cè) 受信側(cè) May 10, 2011Page 31 Agilent Technologies Japan 分析結(jié)果的比較 電力傳送効率與傳送距離的關(guān)系1 (MIT的理論與實驗) EMPro所進行的分析結(jié)果 May 10, 2011Page 32 Agilent Technologies Japan 模型周圍環(huán)境的影響模型周圍環(huán)境的影響 : : 金屬板的効果金屬板的効果 1.6 m 的金屬板 分析金屬板的影響 (天線間距離 : l = 1 m) May 10

25、, 2011Page 33 Agilent Technologies Japan l = 1.0 m 金屬板無l = 1.0 m 金屬板有 E- field H- field 模型周圍環(huán)境的影響 : 金屬板的効果 送信側(cè) 受信側(cè) 分析模型傳送効率 % 無金屬板90.1 有金屬板56.7 電場磁場分布分析結(jié)果 傳送効率的比較 金屬板 May 10, 2011Page 34 Agilent Technologies Japan 檢討傳檢討傳送効率送効率的改良的改良 l = 2.0 m RepeaterDevice的分析 (天線間距離 : l = 2 m) a) 無RepeaterDeviceb)

26、有RepeaterDevice (配置于中央) Repeate rDevice May 10, 2011Page 35 Agilent Technologies Japan 檢討檢討電力傳送電力傳送的的効率化効率化 : : 傳送距離傳送距離 2 m2 m 無Repeater Device有Repeater Device E- field H- field 送信側(cè) 受信側(cè) Repeater 分析模型傳送効率 % 無Repeater Device 48.4 有Repeater Device 80.1 傳送効率比較 電場磁場分布分析結(jié) 果 May 10, 2011Page 36 Agilent Te

27、chnologies Japan 今后的擴張今后的擴張 : : 證明證明系統(tǒng)全體的傳送効率系統(tǒng)全體的傳送効率 EMPro的分析結(jié)果可以Import 成為ADS DesignKit 在ADS回路仿真器上、可以分析 包含信號發(fā)生回路、整流回路在內(nèi) 的整體系統(tǒng) May 10, 2011Page 37 Agilent Technologies Japan 總結(jié)總結(jié) 以上介紹了3種類型的電磁場分析工具的特征。 介紹了使用ADS Momentum、EMPro FEM 來分析 磁氣共鳴型無線電力傳送的手法。 MIT的論文所刊登的實驗結(jié)果、與EMPro FEM的分析結(jié)果、 顯示出非常好的相關(guān)性。 Agilen

28、t準(zhǔn)備有3種類的電磁場工具、 可以提供證明各種電磁場効果的環(huán)境。 May 10, 2011Page 38 Agilent Technologies Japan References 1 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. Uchid

29、a, Y. Hori : “Wireless Power Transfer during Displacement Using Electromagnetic Coupling in Resonance,” IEEJ Trans, Vol.130, No.1, pp.76-83 (2010) May 10, 2011Page 39 Agilent Technologies Japan Contact Us Agilent Technologies Japan May 10, 2011Page 40 http:/ 電磁場分析工具的選擇基準(zhǔn) Planar vs. 3D Geometry MoM 平面構(gòu)造、多層基板等等 的効率性分析 - IC內(nèi)的Passive零件 - RF Print基板 - PCB的高速傳送路分析 (SI分析) - 平面天線 FEM, FDTD 任意的3次元形狀 - 連接器 - 接合線 - Package - 導(dǎo)波路 - 3D 天線 May 10, 2011Page 41 Agilent Technologies Japan 電磁場分析工具的選擇基準(zhǔn) Response / Analysis Type MoM, FEM 頻域的分析 擁有高Q特性的 Application RF / MW Filter 共振器 FDTD 時間領(lǐng)域的分析 TDR直接觀察 SI,