一种无衍射可控电磁场生成方法技术

本发明专利技术提出了一种无衍射可控电磁场生成方法。本发明专利技术根据给出的波导模型下的所需电磁场分布模型，在待选线圈中使用正交匹配追踪算法计算最优励磁线圈集；计算各线圈电磁场分布的自相关矩阵，计算各线圈电磁场分布与所需磁场分布的互相关矩阵，以此求解各线圈最佳驱动电流向量；对各线圈施加其对应的最佳驱动电流向量，测量得到对应的电压向量，根据电流向量和电压向量计算各线圈间的阻抗矩阵以及各线圈的负载电容；计算使线圈达到谐振的补偿电容；同心摆放各线圈，配置补偿电容并施加最佳驱动电流，此时产生的电磁场分布即所需电磁场分布。产生的电磁场具有无衍射的特性，且根据需要调整和控制，用于无线电能传输时，传输效率高，抗干扰能力强。

A Non-Diffraction Controllable Electromagnetic Field Generation Method

【技术实现步骤摘要】
一种无衍射可控电磁场生成方法
本专利技术属于无线供电
，尤其涉及一种无衍射可控电磁场生成方法。
技术介绍
研究表明，当电磁场发射装置的尺寸小于其发射的电磁场的波长时，该装置发射的电磁场具有无衍射的特性。这种特性优良的电磁场可以用于微波消融，无线电能传输等领域，特别是用于无线电能传输时，能提高无线电能传输的传输效率，并提升传输时的抗干扰能力。但是到目前为止，还没有一个切实可行的方案用来产生这种特性优良的无衍射电磁场。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种无衍射可控电磁场生成方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是，一种无衍射可控电磁场生成方法，包括以下步骤：步骤1：给出波导模型下的所需电磁场分布模型，在待选线圈中使用正交匹配追踪算法计算最优励磁线圈集；步骤2：计算各线圈电磁场分布的时间函数的自相关矩阵，计算各线圈电磁场分布的时间函数与各线圈所需磁场分布的时间函数的互相关矩阵，根据自相关矩阵以及互相关矩阵求解各线圈最佳驱动电流向量；步骤3：对最优励磁线圈集中各线圈施加其对应的最佳驱动电流向量，测量得到施加在线圈两端的电压向量，根据最佳驱动电流向量以及线圈两端的电压向量计算各线圈间的阻抗矩阵以及各线圈的负载电容；步骤4：计算使线圈达到谐振的补偿电容；步骤5：同心摆放最优励磁线圈集中每一个线圈，配置补偿电容并施加最佳驱动电流，得到此时产生的电磁场分布；作为优选，步骤1所述的所需电磁场分布模型为：建立空间直角坐标系，根据事先给出的所需电磁场大小和空间分布，建立波导模型下的所需电磁场分布模型Hd(x,y,z)；步骤1所述的在待选线圈中使用正交匹配追踪算法计算最优励磁线圈集，包括以下步骤：步骤1.1：将Hd设为残差He，即He＝Hd；建立最优励磁线圈集集合模型为Sl＝{l1,l2,...,ln}，初始状态为空集其中，li为第i个已选线圈，i∈[1,n]，n≤N，n为已选线圈数，N为可选线圈总数；对所有待选线圈，输入导线型号、线圈形状、线圈尺寸、线圈匝数、介质磁导率、介质相对介电常数以及驱动电流频率，建立波导模型下所有可选线圈lj的空间电磁场分布模型Hj(x,y,z)，其中j∈[1,N]；设置算法停止条件：线圈数量上限m，其中m≤N，最大允许误差HeMAX，其中HeMAX≥0；步骤1.2：通过正交匹配追踪算法计算各Hj与He的匹配度集合Sc＝{c1,c2,...,cN-n}，选取其中最高匹配度的电磁场分布，记为Hb，将其对应的线圈加入最优励磁线圈集Sl，并根据Hb使用正交匹配追踪算法更新残差He；步骤1.3：重复步骤1.2，直到已选线圈数达到上限，即n＝m，或残差He小于等于最大允许误差，即He≤HeMAX。作为优选，步骤2中所述计算各线圈磁场分布的时间函数的自相关矩阵为：根据周期性功率信号的自相关函数模型：根据驱动电流周期即T0、时间差即τ、步骤1中所述最优励磁线圈集Sl中各线圈磁场分布的时间函数Hi(t)，通过上述自相关函数模型计算各Hi(t)的自相关矩阵Rss；步骤2中所述计算各线圈磁场分布的时间函数与各线圈所需磁场分布的时间函数的互相关矩阵为：使用互相关函数模型：根据驱动电流周期即T0，时间差即τ、步骤1中所述最优励磁线圈集Sl中各线圈的磁场分布的时间函数Hi(t)和所需磁场分布的时间函数Hd(t)，计算各Hi(t)与Hd(t)的互相关矩阵Vsd；步骤2中所述根据自相关矩阵以及互相关矩阵求解各线圈最佳驱动电流向量为：I＝[I1I2…In]T作为优选，步骤3中所述最佳驱动电流向量为：I＝[I1I2…In]T；Ii为第i个线圈的最佳驱动电流，i∈[1,n]；步骤3中所述线圈两端的电压向量为：V＝[V1V2…Vn]TVi为第i个线圈两端的电压，i∈[1,n]；步骤3中所述计算各线圈间的阻抗矩阵Z具体为：Z＝VI-1步骤3中所述计算各线圈的负载电容具体为：Cloadi＝1/(ω0Im(Zii-ZTi))其中，ZTi为第i个线圈的负载阻抗，Cloadi为第i个线圈的负载电容，Vi为第i个线圈两端的电压，Ii和Im分别为第i个和第m个线圈的最佳驱动电流，Zim为阻抗矩阵Z第i行第m列的元素，Zii为阻抗矩阵Z第i行第i列的元素。SCload＝{Cload1,Cload2,...,Cloadn}为负载电容向量；作为优选，步骤4中所述计算使线圈达到谐振的补偿电容为：Zt＝Vi/IiCe＝1/(ω0Im(Zt))其中，Zt为第i个线圈两端的等效阻抗，Ce为第i个线圈两端的等效电容，Ii为第i个线圈的最佳驱动电流，Vi为第i个线圈两端的电压，Cloadi为第i个线圈的负载电容，CTi为第i个线圈的补偿电容；SCT＝{CT1,CT2,...,CTn}为补偿电容向量；作为优选，步骤5中所述最优励磁线圈集为Sl＝{l1,l2,...,ln}；步骤5中所述配置补偿电容为：根据补偿电容向量SCT＝{CT1,CT2,...,CTn}为每一个线圈配置补偿电容；步骤5中所述施加最佳驱动电流为：根据最佳驱动电流向量I＝[I1I2…In]T为每一个线圈施加最佳驱动电流；步骤5中所述此时产生的电磁场分布即为步骤1中所述所需的电磁场分布Hd(x,y,z)；产生的电磁场分布Hd(x,y,z)取决于施加在各线圈上最佳驱动电流之间的比例，而电磁场强度取决于最佳驱动电流的大小，可以通过改变最佳驱动电流的比例和大小实现对电磁场分布和强度的控制。本专利技术的有益效果是：产生的电磁场具有无衍射的优良特性，用于无线电能传输时，将具有传输效率更高，抗干扰能力更强等传输特性；且产生的电磁场的分布和大小都可根据需要调整和控制。附图说明图1：本专利技术的方法流程图；图2：本专利技术的正交匹配算法流程图；图3：本专利技术的励磁线圈，补偿电容和驱动电流源连接图；图4：本专利技术一个实施例的无衍射电磁场发生装置整体示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。下面结合附图介绍本专利技术的具体实施方式，本专利技术的方法流程图如图1所示，为包括以下步骤：步骤1：给出波导模型下的所需电磁场分布模型，在待选线圈中使用正交匹配追踪算法计算最优励磁线圈集；步骤1所述的所需电磁场分布模型为：建立空间直角坐标系，根据事先给出的所需电磁场大小和空间分布，建立波导模型下的所需电磁场分布模型Hd(x,y,z)；步骤1所述的在待选线圈中使用正交匹配追踪算法计算最优励磁线圈集，正交匹配追踪算法流程图如图2所示，包括以下步骤：步骤1.1：将Hd设为残差He，即He＝Hd；建立最优励磁线圈集集合模型为Sl＝{l1,l2,...,ln}，初始状态为空集其中，li为第i个已选线圈，i∈[1,n]，n≤N，n为已选线圈数，N为可选线圈总数；对所有待选线圈，输入导线型号、线圈形状、线圈尺寸、线圈匝数、介质相对磁导率、介质相对介电常数以及驱动电流频率，建立波导模型下所有可选线圈lj的空间电磁场分布模型Hj(x,y,z)，其中j∈[1,N]；本实施例中，所用导线型号为0.1×400利兹线，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无衍射可控电磁场生成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：给出波导模型下的所需电磁场分布模型，在待选线圈中使用正交匹配追踪算法计算最优励磁线圈集；步骤2：计算各线圈电磁场分布的时间函数的自相关矩阵，计算各线圈电磁场分布的时间函数与各线圈所需磁场分布的时间函数的互相关矩阵，根据自相关矩阵以及互相关矩阵求解各线圈最佳驱动电流向量；步骤3：对最优励磁线圈集中各线圈施加其对应的最佳驱动电流向量，测量得到施加在线圈两端的电压向量，根据最佳驱动电流向量以及线圈两端的电压向量计算各线圈间的阻抗矩阵以及各线圈的负载电容；步骤4：计算使线圈达到谐振的补偿电容；步骤5：同心摆放最优励磁线圈集中每一个线圈，配置补偿电容并施加最佳驱动电流，得到此时产生的电磁场分布。

【技术特征摘要】
1.一种无衍射可控电磁场生成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：给出波导模型下的所需电磁场分布模型，在待选线圈中使用正交匹配追踪算法计算最优励磁线圈集；步骤2：计算各线圈电磁场分布的时间函数的自相关矩阵，计算各线圈电磁场分布的时间函数与各线圈所需磁场分布的时间函数的互相关矩阵，根据自相关矩阵以及互相关矩阵求解各线圈最佳驱动电流向量；步骤3：对最优励磁线圈集中各线圈施加其对应的最佳驱动电流向量，测量得到施加在线圈两端的电压向量，根据最佳驱动电流向量以及线圈两端的电压向量计算各线圈间的阻抗矩阵以及各线圈的负载电容；步骤4：计算使线圈达到谐振的补偿电容；步骤5：同心摆放最优励磁线圈集中每一个线圈，配置补偿电容并施加最佳驱动电流，得到此时产生的电磁场分布。2.根据权利要求1所述的无衍射可控电磁场生成方法，其特征在于，步骤1所述的所需电磁场分布模型为：建立空间直角坐标系，根据事先给出的所需电磁场大小和空间分布，建立波导模型下的所需电磁场分布模型Hd(x,y,z)；步骤1所述的在待选线圈中使用正交匹配追踪算法计算最优励磁线圈集，包括以下步骤：步骤1.1：将Hd设为残差He，即He＝Hd；建立最优励磁线圈集集合模型为Sl＝{l1,l2,...,ln}，初始状态为空集其中，li为第i个已选线圈，i∈[1,n]，n≤N，n为已选线圈数，N为可选线圈总数；对所有待选线圈，输入导线型号、线圈形状、线圈尺寸、线圈匝数、介质磁导率、介质相对介电常数以及驱动电流频率，建立波导模型下所有可选线圈lj的空间电磁场分布模型Hj(x,y,z)，其中j∈[1,N]；设置算法停止条件：线圈数量上限m，其中m≤N，最大允许误差HeMAX，其中HeMAX≥0；步骤1.2：通过正交匹配追踪算法计算各Hj与He的匹配度集合Sc＝{c1,c2,...,cN-n}，选取其中最高匹配度的电磁场分布，记为Hb，将其对应的线圈加入最优励磁线圈集Sl，并根据Hb使用正交匹配追踪算法更新残差He；步骤1.3：重复步骤1.2，直到已选线圈数达到上限，即n＝m，或残差He小于等于最大允许误差，即He≤HeMAX。3.根据权利要求1所述的无衍射可控电磁场生成方法，其特征在于，步骤2中所述计算各线圈磁场分布的时间函数的自相关矩阵为：根据周期性功率信号的自相关函数模型：根据驱动电流周期即T0、时间差即τ、步骤1中所述最优励磁线圈集Sl中各线圈磁场分布的时间函数Hi(t)...

【专利技术属性】
技术研发人员：代中余，王军华，朱仁勋，黄虹，曲皓玥，周海阔，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42