無線能量傳輸(WPT) 是指發射和接收單元之間的能量傳輸，這項技術主要用于對電子設備進行無線充電，比如手機和電動汽車。雖然無線能量傳輸可以帶來多項優勢，但它仍面臨一些亟待解決的難題。這時就可以借助仿真的力量。例如，在一些WPT 技術中，設備必須按照特定的方向放置才能有效充電。現在，我們將分析方向對兩種WPT 天線功能的影響。

無線能量傳輸技術簡介

在我們的日常生活中，電子器件是一個非常重要的組成部分。想象一下，您不需要電線或任何線纜就能為這些設備充電。無線能量傳輸技術(WPT) 的發展使這一切成為可能，它為電氣設備提供了一種簡單的充電方法，并支持同時對多個設備進行充電。隨著技術的持續發展，我們已經在越來越多的領域中實現了無線充電，包括從手機到電動汽車等電子產品。

圖1、咖啡店的無線充電點。圖片由Powermat Technologies 公司的Veredai 提供 — 圖片為自行拍攝，并通過Wikimedia Commons 分享。

如前所述，WPT 技術無需借助實芯線或導體就能傳輸電能，使能源變得無處不在。一般情況下，我們可以通過電磁場在兩個單獨的對象之間傳遞能量。在這一系統中，連接至電源的能量傳輸裝置(PTU) 會產生一個磁場，能量接收裝置(PRU) 捕捉到這一能量，并將它轉化為可用的能量。

圖2、無線能量傳輸的簡單示例。左側為PTU, 右側為PRU。

對于一些WPT 系統而言，需考慮的重要一點是PTU 與PRU 之間的方向會極大影響能量的耦合。因此，如希望為設備充電，需要將它仔細與PTU 對齊。但PTU 與PRU 間多大的偏斜會影響到能量的耦合呢？

這里，我們將使用仿真來分析朝向的改變將如何影響無線能量傳輸天線。

分析無線能量傳輸天線

在今天的無線能量傳輸教程中，我們將分析兩個圓環形天線之間的能量耦合。示例天線由一個聚四氟乙烯(PTFE) 寬板和位于其上的一個銅薄層構成，并把銅薄層等效成完美電導體(PEC) 來模擬。每個器件均包含一個集總電感和一個集總端口，可以對天線進行激勵或終止。

天線內有一個超高頻RFID 標簽，它可以在915 MHz 的頻率下工作，其形狀本身支持執行電感耦合。

圖3、模型幾何。注意這里不包括空氣域和完美匹配層(PML)。

在我們的仿真中，接收天線正在旋轉，發射天線則維持在一個固定的位置。這一設定類似于以下場景：充電器位置固定，調整手機在其上的放置角度。

通過更改朝向，我們將能找出位置更改對能量耦合的影響。為了對這一影響進行可視化，我們模擬了電場模的分布以及發射天線和（不同旋轉角下）接收天線間的能量流。

圖4、無線能量傳輸天線的電場模和能量流（箭頭圖）。

結果顯示當天線面對面放置時，即接收天線的旋轉角為0° 時，電場強耦合，說明能成功進行無線能量傳輸。但當接收天線的旋轉角為90° 時，我們在能量流穿過接收天線時未觀察到任何變形。在這一旋轉角下，幾乎無耦合或有效的耦合區域。因此，我們可以得出結論：兩個天線間的能量傳輸在這一角度下被極大降低了。

將來，我們可以通過開發支持在多個朝向下工作的系統來增強WPT 天線的功能，今后在為電子器件充電時，我們將無需再關注它們的具體放置。

作者：Caty Fairclough，COMSOL公司