一种用于无线输能的腔体内电磁场均匀化方法

1.本发明属于无线功率传输领域，具体涉及一种用于无线输能的腔体内电磁场均匀化方法。


背景技术：

2.近几年的无线能量传输发展迅速，在智能电子、电动车辆、电力传输等主要领域都有重大应用。在一些特殊场合，传统输电方式在安全上存在隐患，而独立的岛屿，在山顶的基站也都难以采用架设电线的传统配电方式，所以无线能量传输就变得越发重要和迫切。无线能量传输有多种方式，其中谐振腔腔的腔内无线能量传输是一种高效的能量传输方式，它能够将能量完全集中于腔内，没有能量流出，它的发展使得在三维空间中实现高安全性的功率传输成为可能。
3.但是因为谐振腔中的谐振模式具有不均匀性，即有的地方电磁场较大，有的地方电磁场较小。而无线能量的传输功率和效率与场值大小有关，所以这些谐振零点的存在限制了零点位置的传输功率和效率。


技术实现要素：

4.本发明提供一种用于无线输能的腔体内电磁场均匀化方法，目的是尝试内部多端口方法来调节谐振腔内的模式，试图在谐振腔中构造复合模式，实现近似均匀的腔体场分布，消除谐振零点的存在，这样就能够在谐振腔处处实现高效能量传输。
5.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
6.一种用于无线输能的腔体内电磁场均匀化方法，包括以下步骤：
7.s1.建立超表面谐振腔，在超表面设置若干个端口；
8.s2.设定端口类型为离散端口中s-parameter类型，仿真出需优化频点所有端口的s参数；
9.s3.设定每个端口的端口电流为单位电流，仿真出需优化频点每个端口的场分布，用eq表示端口q的电场分布；
10.s4.用内部多端口方法计算出需优化频点每个端口的实际电流，用iq表示端口q的实际电流，计算出实际总场q为最大端口数；
11.s5.设定场值差和函数e
total
(m)表示第m个需优化场点的电场幅值，表示所有需优化场点的平均场值，p为选取的优化场点数量；
12.s6.用遗传算法求得diff的最小值。
13.进一步地，步骤s1中所述的超表面谐振腔为金属网格谐振腔。
14.进一步地，所述的金属网格谐振腔的长为916mm，宽为916mm，高为1204mm。
15.进一步地，所述的金属网格谐振腔的网孔的孔径设置为80mm，相邻两个网孔之间的边线宽度为16mm，每个面的边沿宽度为34mm。
16.进一步地，在网孔边线中心挖出1mm宽的缝隙。
17.进一步地，缝隙设置为内部端口，通过改变端口的连接和断开实现超表面的可重构性。
18.进一步地，在所述的金属网格谐振腔的底面和顶面设置内部端口，共288个，每面144个。
19.进一步地，步骤s2中仿真出需优化频点所有端口的s参数的条件是设置为单频点278mhz。
20.进一步地，步骤s4中q的取值为1～288，q为288。
21.进一步地，步骤s5中m∈[1,58]，p为58。
[0022]
本发明具有以下技术效果：
[0023]
(1)本发明采用内部多端口方法来调节谐振腔内的模式，在谐振腔中构造复合模式，实现了近似均匀的腔体场分布，消除了谐振零点的存在。
[0024]
(2)在腔体内基本实现了电磁场值的均匀化，实现了能量处处高效能传输。
附图说明
[0025]
图1为实施例中金属网格谐振腔示意图；
[0026]
图2为实施例中金属网格局部示意图；
[0027]
图3为实施例中金属网格边线上的缝隙示意图；
[0028]
图4为实施例中谐振腔底面的顶面加上端口后的示意图；
[0029]
图5为实施例中沿z轴负方向看底面端口示意图；
[0030]
图6为实施例中沿z轴负方向看顶面端口示意图；
[0031]
图7为内部多端口方法端口电流电压满足的关系图；
[0032]
图8为用内部多端口方法计算实际端口电流的公式图；
[0033]
图9为实施例中线x＝466mm优化前后的“电场值-y轴”图；
[0034]
图10为实施例中线x＝626mm优化前后的“电场值-y轴”图；
[0035]
图11为实施例中线x＝274mm优化前后的“电场值-y轴”图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和实施例对本发明进一步讲解，该实施例仅是本发明的具体例子之一，并非本发明的全部。且不限于本例所示的金属网格超表面谐振腔，本发明同样适用于其他超表面谐振腔。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0037]
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电场值来呈现整个流程。实施例中涉及到的内部多端口方法，请自行参阅相关资料。
[0038]
在cst中建立一个如图1所示的金属网格谐振腔，长916mm，宽916mm，高1204mm。预设的频点为278mhz，为了将能量限制在腔内，将金属网孔的孔径设置为80mm，相邻两个网孔之间的边线宽度为16mm，每个面的边沿宽度为34mm，如图2所示。
[0039]
在网孔边线中心挖出1mm宽的缝隙，如图3所示，使谐振腔成为一种超表面。将缝隙设置为内部端口，通过改变端口的连接和断开实现超表面的可重构性。为了缩短仿真时间，
只在谐振腔的底面和顶面设置内部端口，共288个，每面144个，加上端口后的谐振腔如图4所示，沿z轴负方向看，底面和顶面的内部端口分别如图5、图6所示。
[0040]
首先将端口类型设置为离散端口中的s-parameter类型，选用频域求解器求解，条件设置为单频点278mhz，仿真出需优化频点所有端口的s参数。然后更改端口类型为离散端口中的单位电流源端口，仿真得到电场值。提取平面z＝200mm的电场分布结果，提取范围为x∈[2,914]、y∈[2,914]，单位mm。用eq表示端口q的电场分布。
[0041]
将端口1设置为外部馈电端口，根据内部多端口方法，端口电流电压满足如图7所示的关系，vq为端口q的电压，iq为端口q的电流，当p≠q时，为预设频点，即278mhz下端口p、q的互阻抗，当p＝q时，为预设频点端口q的自阻抗，为端口q连接或断开的阻抗。其中可根据关系式由仿真出的s参数求得，在端口处于连接和断开状态下可分别以0、较大值代替。本实施例中q的取值为1～288。
[0042]
图7的关系式经变换可得到如图8所示的关系式，由于i0为单位电流，即i0＝1a，故端口实际电流可直接通过图8所示关系求得。最后通过公式计算出实际总场e
total
，q为最大端口数，本实例中q为288。
[0043]
在遗传算法中，设置目标函数为e
total
(m)表示第m个需优化场点的电场幅值，表示所有需优化场点的平均场值，p为选取的优化场点数量，本实施例中m∈[1,58]，p为58。进行优化即可得到谐振腔内比较均匀的电场分布。图9、图10、图11分别展示了x＝466mm、x＝626mm、x＝274mm三条线上的优化结果。
[0044]
腔体两侧由于边界条件的限制而很难调节，在优化过程中可将目标函数diff设置为中间的一段。本实施例优化的代数较小，仅为60，如果将优化代数设置得更大，还能得到更优的结果。且不限于本实施例所示的金属网格超表面谐振腔，本发明同样适用于其他超表面谐振腔。