Analysis and Numerical Modeling of Inductively Coupled Antenna Systems

225 Pages·2010·2.57 MB·English

by  Peter Scholz

Analysis and Numerical
Modeling of Inductively
Coupled Antenna Systems
AnalyseundnumerischeModellierunginduktivgekoppelter
Antennensysteme
ZurErlangungdesakademischenGradesDoktor-Ingenieur(Dr.-Ing.)
genehmigteDissertationvonDipl.-Ing.PeterScholzausDetmold
2010—Darmstadt—D17
FachbereichElektrotechnikund
Informationstechnik
InstitutfürTheorie
ElektromagnetischerFelder(TEMF)
AnalysisandNumericalModelingofInductivelyCoupledAntennaSystems
AnalyseundnumerischeModellierunginduktivgekoppelterAntennensysteme
GenehmigteDissertationvonDipl.-Ing.PeterScholzausDetmold
1.Gutachten:Prof.Dr.-Ing.ThomasWeiland
2.Gutachten:Prof.Dr.-Ing.RolfSchuhmann
TagderEinreichung: 26.10.2010
TagderPrüfung:30.11.2010
Darmstadt—D17
BittezitierenSiediesesDokumentals:
URN:urn:nbn:de:tuda-tuprints-23549
URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/2354/
DiesesDokumentwirdbereitgestelltvontuprints,
E-Publishing-ServicederTUDarmstadt.
http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de
DieVeröffentlichungstehtunterfolgenderCreativeCommonsLizenz:
Namensnennung–NichtKommerziell–KeineBearbeitung3.0Deutschland
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
Kontakt:[email protected]
FürKirstin

Kurzfassung
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse und der numerischen Modellierung
vonAntennensystemenfürinduktiveEnergieübertragungsstrecken(engl.Inductive
PowerTransfer(IPT)).PraktischeBeispieleumfassenz.B.diedrahtloseVersorgung
von mobilen Geräten in der Unterhaltungselektronik oderRadiofrequenz-Identifi-
kationssysteme (RFID) in der Logistik. Die physikalisch relevanten Eigenschaften
derzuuntersuchendenAntennenstrukturen,wiez.B.einegenaueInduktivitätsbe-
rechnungoderdiepräziseModellierungvonSkin-undProximity-Effekten,werden
mitHilfenumerischerVerfahrenrealisiert.GleichzeitigwirdeineBeschreibungauf
Ersatzschaltbildebene ermöglicht, die auf dem Konzept gekoppelter Induktivitä-
tenberuht.DazuwerdenreduzierteErsatzschaltbilderdereinzelnenAntennenmit
HilfeeinergeeignetenParamterextraktionstechnikbestimmt.
Die numerischen Simulationen dieser Arbeit bedienen sich der Methode der
partiellen Elemente (engl. Partial Element Equivalent Circuit (PEEC)). Die PEEC-
MethodeistbesondersgeeignetfürdieSimulationvonIPT-Systemen,daeffiziente
DiskretisierungenfürlangeunddünneLeiterstrukturenerreichtunddieauftreten-
denelektromagnetischenKopplungseffekteinErsatzschaltbilderüberführtwerden
können.WeiterhinwerdenWelleneffekteinPEEC-Systementraditionelldurchqua-
sistationäreAnnahmen derMaxwellschenGleichungen vernachlässigt.Diesistfür
die Modellierung von IPT-Systemen sinnvoll, da die Rechenzeit ohne wesentliche
Genauigkeitsverlusteverringertwird.
DieArbeitbeginntmitderDarstellungeinigerelektrodynamischerGrundlagen,
wobeieine neue Lorenz-quasistatische (LQS) Formulierung hergeleitet und in be-
stehendeAnsätze eingeordnetwird. Nach einerPräsentation derwesentlichen Ei-
genschaften von IPT-Systemen wird die PEEC-Methode in einer im Vergleich zur
StandardformulierungleichtverändertenFormhergeleitet, umdenverschiedenen
Näherungsverfahren in einer vereinheitlichten Notation Rechnung zu tragen. Die
Systemfunktionalität wirdhinsichtlich Parametertoleranzenuntersucht, wobeidie
adjungierteSensitivitätsanalyseaufdiePEEC-MethodeangewendetundinVerbin-
dung mit Skin-Effekt-Problemstellungen näher untersucht wird. Der präsentierte
Modellierungsansatz wird sowohl mit Messungen als auch mit Simulationen auf
BasisderFinite-Elemente-Methode(FEM)füreintypischesRFID-Spulensystembe-
stätigt.ImVergleichzuderFEMkönnenmitHilfederspezialisiertenPEEC-Methode
bemerkenswerteGeschwindigkeitsgewinneerzieltwerden,wobeidieauftretenden
AbweichungentypischerweisewenigeProzentnichtüberschreiten.
iii
iv
Abstract
This work focuses on the analysis and design of Inductive Power Transfer (IPT)
antenna systems. Practical applications for IPT systems include a wireless pow-
eringofmobiledevicesin consumerelectronics orRadioFrequencyIdentification
(RFID) systems in logistics. The physical relevant properties of the antenna sys-
tems such as an accurate inductance computation or a precise modeling of skin
andproximityeffectsareextractedbymeansofnumericaltechniques. Atthesame
time, an equivalent network description based on the transformer concept is en-
abledbyrepresentingtheantennasviareducedcircuitmodels,whichareobtained
byspecializedparameterfittingtechniques.
The numerical simulations used in this thesis are based on the Partial Element
EquivalentCircuit(PEEC)method. ThePEECmethodisespeciallyappropriate for
IPTantennasystems,becauseitallowsefficientmeshingtechniquesincaseoflong
andthinconductorsandprovidesatransformationoftheelectromagneticcoupling
effects to the network domain. Furthermore, neglecting the retardation effects
is traditionally fulfilled by the PEEC method when quasi-stationary assumptions
of the Maxwell’s equations are used. This is beneficial for IPT systems, since the
simulationtimeisreducedwhiletheerrorsarekeptsufficientlysmall.
First,somefundamentalconceptsofelectrodynamiceffectsarereviewedinthis
work. A new Lorenz-Quasi-Static (LQS) formulation is derived while its integra-
tion into well established techniques is shown. After presenting the fundamental
concepts of IPT systems, the PEEC method is derived in a slightly modified way
compared to the standard formulation in order to handle the different approxi-
mation techniques in a unified notation. Afterwards, the influence of parameter
tolerances on the system behavior is analyzed by applying the adjoint sensitivity
analysis to the PEEC method with a special focus on skin-effect problems. The
presented system modeling approach is confirmed via measurements and Finite
Element Method (FEM) simulations for a Printed Spiral Coil (PSC) system often
used in RFID applications. By means of the optimized PEEC method, a remark-
able speedup can be gained when compared with FEM simulations whereas the
obtainederrorstypicallydonotexceedafewpercent.
v
vi
Contents
1. Introduction 1
1.1. MotivationandObjective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. InductivePowerTransferApplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3. AdequateNumericalSimulationMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4. OutlineoftheThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2. ClassicalElectrodynamics 9
2.1. Maxwell’sEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2. ScalarElectricandVectorMagneticPotentials . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3. ConstitutiveEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.1. DielectricMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.2. MagneticMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.3. ChargeDensityInsideConductors . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4. Quasi-stationaryApproximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.1. Lorenz-Quasi-StaticFormulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.2. Magneto-Quasi-StaticFormulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5. Green’sFunctionMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6. MixedPotentialIntegralEquation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.7. Poynting’sTheorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7.1. Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7.2. Inductance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7.3. Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.7.4. Impedance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3. InductivePowerTransmission 35
3.1. SmallCircularLoopAntenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.1. Near-andFar-fieldRegions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.2. ResistiveandRadiativeLosses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.3. Inductance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2. DesignConstraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.1. FrequencyRange. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2. QualityFactorDefinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.3. RectangularPrintedSpiralCoil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
vii
3.3. EquivalentCircuitRepresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.1. AirCoupledTransformerConcept . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.2. AntennaImpedanceMacromodeling . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.3. SystemDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4. PartialElementEquivalentCircuitMethod 69
4.1. Discretization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2. PartialNetworkElements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3. EquivalentCircuitRepresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.1. NodalBasedAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.2. Multi-PortNetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4. ModelSimplifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.1. Full-WaveandQuasi-Stationary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.2. Magneto-Quasi-Static . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.3. StationaryCurrents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4.4. 2DMagneto-Quasi-Static . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.5. MeshingStrategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.5.1. 1D,2Dand3DMeshes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.5.2. DiscretizationofConductorBends . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5.3. PanelMeshofaPrintedSpiralCoil. . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.5.4. MutualInductanceComputationoftwoSpiralCoils . . . . . . 91
4.6. ModelingofSkinandProximityEffects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.6.1. State-of-the-ArtTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.6.2. SubdivisionoftheConductor’sCrossSections . . . . . . . . . . 96
4.7. ModelingofMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.7.1. DielectricMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.7.2. MagneticMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.8. AccelerationTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5. SensitivityAnalysis 105
5.1. AdjointBasedMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.2. Inner-LayerConceptforSkin-EffectSensitivities . . . . . . . . . . . . . 109
6. SimulationResultsandMeasurements 113
6.1. CylindricalConductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.1.1. SolverSettings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.1.2. CircularCrossSectionandInfiniteLength . . . . . . . . . . . . 114
6.1.3. RectangularCrossSectionandInfiniteLength . . . . . . . . . . 119
6.1.4. RectangularCrossSectionandFiniteLength . . . . . . . . . . . 124
6.1.5. SensitivityAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
viii