【无线传输】异构耦合和可翻转中性线在宇偶校验时间对称性中的宽范围稳健无线功率传输Matlab仿真
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🔥 内容介绍
一、引言
在当今无线技术蓬勃发展的时代，无线功率传输（WPT）技术因其便捷性和广泛的应用前景，受到了众多研究者的关注。然而，实现宽范围且稳健的无线功率传输面临诸多挑战，例如传输效率在不同距离和环境下的波动、外界干扰对传输稳定性的影响等。近年来，基于宇偶校验时间对称性（Parity - Time Symmetry，简称 PT 对称性）的概念为解决这些问题提供了新的思路。而异构耦合和可翻转中性线作为两个关键要素，在基于 PT 对称性的宽范围稳健无线功率传输中发挥着重要作用。
二、宇偶校验时间对称性（PT 对称性）基础
（一）PT 对称性概念
宇偶校验时间对称性最初源于量子力学领域，它描述了一种系统在宇称变换（空间反射）和时间反演联合操作下保持不变的特性。在无线功率传输的背景下，具有 PT 对称性的系统意味着其在空间结构和时间演化上存在特定的对称关系，这种对称关系有助于实现一些特殊的电磁特性，从而提升无线功率传输的性能。
（二）PT 对称性在 WPT 中的优势
- 增强传输稳定性
：具有 PT 对称性的无线功率传输系统对外部干扰具有更好的抵抗能力。当系统受到外界噪声或干扰时，基于 PT 对称性的设计能够使系统在一定程度上自动调整，维持稳定的功率传输，减少传输中断或功率波动的情况。
- 优化传输效率
：通过巧妙地利用 PT 对称性，可实现更高效的能量耦合和传输。在传统的无线功率传输中，能量在传输过程中容易出现损耗，而 PT 对称系统能够更有效地引导能量流动，提高能量从发射端到接收端的传输效率，尤其在较远距离或复杂环境下优势更为明显。
三、异构耦合在宽范围稳健 WPT 中的作用
（一）异构耦合定义
异构耦合是指在无线功率传输系统中，采用不同类型或结构的耦合元件来实现能量的传递。这些耦合元件在材料、尺寸、形状等方面存在差异，通过合理组合，能够在不同的传输距离和频率下实现更灵活、高效的能量耦合。
（二）异构耦合对 WPT 的影响
- 拓展传输范围
：传统的无线功率传输系统通常在特定距离范围内具有较高的传输效率，超出这个范围效率会急剧下降。而异构耦合通过使用多种耦合元件，能够在不同距离下自适应地调整耦合特性。例如，在近距离传输时，可采用紧密耦合的元件以提高传输效率；在远距离传输时，切换到具有更广泛能量覆盖范围的耦合元件，从而拓宽了无线功率传输的有效范围。
- 提高传输稳健性
：异构耦合使得系统对环境变化具有更强的适应性。不同的耦合元件对环境因素（如温度、湿度、电磁干扰等）的敏感度不同，当环境发生变化时，系统能够通过自动调整耦合元件的工作模式或组合方式，保持相对稳定的功率传输，减少因环境变化导致的传输性能下降。
四、可翻转中性线在宽范围稳健 WPT 中的作用
（一）可翻转中性线原理
可翻转中性线是一种特殊的电路设计，它允许在无线功率传输过程中，根据系统的需求和状态，灵活地改变中性线的连接方式或电气特性。这种设计打破了传统固定中性线的限制，为系统提供了更多的调控自由度。
（二）可翻转中性线对 WPT 的影响
- 优化功率分配
：在多接收端的无线功率传输系统中，可翻转中性线能够根据各接收端的需求动态调整功率分配。通过改变中性线的连接方式，可以将更多的功率分配给急需能量的接收端，或者均匀分配功率以满足多个接收端的基本需求，从而提高整个系统的功率利用效率和服务质量。
- 增强抗干扰能力
：当无线功率传输系统受到外界电磁干扰时，可翻转中性线可以迅速调整自身特性，改变电流路径或电场分布，从而有效地抑制干扰信号对系统的影响。这种自适应的抗干扰机制有助于维持系统在复杂电磁环境下的稳定运行，保证无线功率传输的可靠性。
五、基于异构耦合和可翻转中性线的 PT 对称 WPT 系统设计
（一）系统架构
该无线功率传输系统主要由发射端、接收端以及中间的传输链路组成。发射端采用具有异构耦合特性的发射线圈，通过不同结构和参数的线圈组合，实现宽频带和灵活的能量发射。可翻转中性线集成在发射端和接收端的电路中，用于动态调整功率分配和抗干扰。接收端同样配备异构耦合的接收线圈，以适应不同距离和环境下的能量接收，并通过可翻转中性线与负载连接，确保稳定的功率输出。
（二）工作流程
- 初始化阶段
：系统启动时，根据预设的参数和环境检测信息，确定异构耦合元件的初始工作模式以及可翻转中性线的初始连接状态。例如，根据预计的传输距离和负载需求，选择合适的发射和接收线圈组合，并设定可翻转中性线为默认的功率分配模式。
- 传输过程
：在无线功率传输过程中，实时监测传输环境（如距离变化、干扰强度等）和系统状态（如各接收端功率需求、传输效率等）。根据监测数据，动态调整异构耦合元件的工作参数，如改变线圈的匝数比或电容电感值，以优化能量耦合。同时，根据接收端的功率需求变化，通过可翻转中性线调整功率分配策略，确保每个接收端都能获得合适的功率。
- 干扰应对
：当检测到外界干扰时，可翻转中性线迅速响应，通过改变自身电气特性，如调整电阻、电容或电感值，改变电流路径，从而抑制干扰信号对系统的影响。同时，异构耦合元件也可协同调整，进一步增强系统的抗干扰能力，保证无线功率传输的稳定性。
⛳️ 运行结果
📣 部分代码
displacement = 0:5:50;
% components of the source resonator
L_s = 520e-09;
Rs_s = 0.3;
C_s = 216.5e-12;
% components of the neutral resonators
L_n = 520e-09;
Rs_n = 0.3;
C_n = 216.5e-12;
% components of the load resonator
L_l = 520e-09;
Rs_l = 0.3;
C_l = 216.5e-12;
R = 2000;
% calculate resonant frequency and loss rate for efficiency
omega0 = 1/sqrt(L_l*C_l);
gamma_l = 1/(2*R*C_l);
🔗 参考文献
[1]吴宇平.无线协作通信中信道编码—网络编码联合方法研究[D].哈尔滨工程大学,2013.DOI:10.7666/d.D430529.
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告诫读者和自己第一，科学态度。历史学是一门科学，要学会做历史研究，就得有科学态度。科学态度不是与生俱来的，必须认真培养，关键是培养我们在研究中认真负责一丝不苟的精神。第二，献身精神。从事历史研究，就像从事其他任何科学研究一样，要有一种为科学研究而献身的精神，要热爱我们的研究事业，要有潜心从事这项工作的意志。没有献身精神，当然做不好科研工作。只想拿一个学位，那是很难学好做研究的。要拿学位，这一点可以理解，但我们读书，是为了自己获得真才实学。有了真才实学将来不论做什么工作，都是有用的。当然学位也是要的，但关键的是学问而不是学位。第三，查阅收集学术信息、资料的能力。青年学生要从事学术研究，就要培养能熟练地掌握查阅搜集学术信息、资料的能力。例如学习与研究英帝国史，就得了解国内外有关这个专业的基本情况，了解有关资料情况。像你们在北京地区学习，至少要大致了解北京地区有关英帝国史的中英文资料，熟悉与专业密切相关的主要图书馆，了解馆藏情况。这就需要经常去图书馆。我们这个专业不需要到田间考察，到工厂调研，但要去图书馆，去图书馆就是我们的调查研究。熟悉有关图书馆的情况是我们学习的一部分。今天，网络飞速发展，掌握网上查阅信息的技巧是非常必要的。第四，处理资料的能力。搜集的资料会越来越多，怎样安排它们也是一门学问。各学科各个研究人员的方式可能会有所不同，但总的原则是要有条理，便于记忆，便于查阅。第五，对资料的鉴别意识与鉴别能力。我们在使用研究资料时不能拿着就用，要有意识鉴别一下，材料是否可靠，什么样的材料更有价值。读书时，也不是拿着什么书就通读到底。有的书翻一翻即可，有的书则需认真读。区别哪些书翻一翻即可，哪些书得认真读，也不是一件容易的事，青年学生不是一下子就能做到这一点的，需逐渐培养这种能力。还有一点就是要学会使用计算机，能比较熟练地进行文字处理。