电磁谐振型无线电力传送的 电磁场分析案例May 10, 2011Page 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, 2011Page 2Agilent Technologies JapanAgendaMay 10, 2011Page 3Agilent 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 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创造涡状电场电场的变化会创造涡状磁场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模式May 10, 2011Page 4Agilent Technologies Japan将传送线路的特性、用信号的反射成分、传送成分、显示在周波数轴输入信号传送信号反射信号S11S21被测定物S22S122接口的不平衡S参数S 2 1输输入接口输输出接口22211211 SSSS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 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, 2011Page 5Agilent Technologies Japan引进S参数的优势l反射、通过、其相位变化的信息全都在各周波数之中l可以连接Cascodel测定较为轻松（S参数测定不须要Open、Short）l其他的Y,Z等参数可变换成数式S filterS ampS total-3dB15dB 12dBS参数表记例Touchstone档案形式May 10, 2011Page 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 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, 2011Page 7Agilent 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, 2011Page 8Agilent Technologies Japan基本性电磁场模拟的过程1. 输入分析构造并定义材质 导体、诱电体、磁性体等等 2. 将励振源与感应器定义成Port 频域 : steady state sources 时间领域 : transient sources 3. 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 4. 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 5. 显示分析结果 S-parameters, TDR, 天线放射模式、电场 磁场分布, etcMay 10, 2011Page 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)FEM (有限元法)MoM (Moment法)May 10, 2011Page 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B1(r)B2(r)B3(r)I1I2I3S1S2Z.I=VMay 10, 2011Page 11Agilent 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, 2011Page 12Agilent 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 -parametert1t2May 10, 2011Page 13Agilent 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, 2011Page 14Agilent 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, 2011Page 15Agilent 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, 2011Page 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 Preference“Which EM Solver Should I Use?”BroadbandFEM / MoMMulti- PortHigh # Mesh CellsFDTDModerate Complexity “I like Time Domain”“I like Frequency Domain” FEM / MoMFDTDMay 10, 2011Page 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, 2011Page 18Agilent 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, 2011Page 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, 2011Page 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, 2011Page 21Agilent Technologies Japan共鸣型无线供电系统 (电场结合型)电场结合型的共鸣型无线供电系统2Simulation 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 = 49May 10, 2011Page 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