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Analysis and Numerical Modeling of Inductively Coupled Antenna Systems

Scholz, Peter :
Analysis and Numerical Modeling of Inductively Coupled Antenna Systems.
Theorie Elektromagnetischer Felder (TEMF)
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Peter Scholz, PhD thesis, 2010 - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Analysis and Numerical Modeling of Inductively Coupled Antenna Systems
Language: English
Abstract:

This work focuses on the analysis and design of Inductive Power Transfer (IPT) antenna systems. Practical applications for IPT systems include a wireless powering of mobile devices in consumer electronics or Radio Frequency Identification (RFID) systems in logistics. The physical relevant properties of the antenna systems such as an accurate inductance computation or a precise modeling of skin and proximity effects are extracted by means of numerical techniques. At the same time, an equivalent network description based on the transformer concept is enabled by representing the antennas via reduced circuit models, which are obtained by specialized parameter fitting techniques. The numerical simulations used in this thesis are based on the Partial Element Equivalent Circuit (PEEC) method. The PEEC method is especially appropriate for IPT antenna systems, because it allows efficient meshing techniques in case of long and thin conductors and provides a transformation of the electromagnetic coupling 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 simulation time is reduced while the errors are kept sufficiently small. First, some fundamental concepts of electrodynamic effects are reviewed in this work. A new Lorenz-Quasi-Static (LQS) formulation is derived while its integration 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 approximation 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 remarkable speedup can be gained when compared with FEM simulations whereas the obtained errors typically do not exceed a few percent.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse und der numerischen Modellierung von Antennensystemen für induktive Energieübertragungsstrecken (engl. Inductive Power Transfer (IPT)). Praktische Beispiele umfassen z. B. die drahtlose Versorgung von mobilen Geräten in der Unterhaltungselektronik oder Radiofrequenz-Identifikationssysteme (RFID) in der Logistik. Die physikalisch relevanten Eigenschaften der zu untersuchenden Antennenstrukturen, wie z. B. eine genaue Induktivitätsberechnung oder die präzise Modellierung von Skin- und Proximity-Effekten, werden mit Hilfe numerischer Verfahren realisiert. Gleichzeitig wird eine Beschreibung auf Ersatzschaltbildebene ermöglicht, die auf dem Konzept gekoppelter Induktivitäten beruht. Dazu werden reduzierte Ersatzschaltbilder der einzelnen Antennen mit Hilfe einer geeigneten Paramterextraktionstechnik bestimmt. Die numerischen Simulationen dieser Arbeit bedienen sich der Methode der partiellen Elemente (engl. Partial Element Equivalent Circuit (PEEC)). Die PEEC-Methode ist besonders geeignet für die Simulation von IPT-Systemen, da effiziente Diskretisierungen für lange und dünne Leiterstrukturen erreicht und die auftretenden elektromagnetischen Kopplungseffekte in Ersatzschaltbilder überführt werden können. Weiterhin werden Welleneffekte in PEEC-Systemen traditionell durch quasistationäre Annahmen der Maxwellschen Gleichungen vernachlässigt. Dies ist für die Modellierung von IPT-Systemen sinnvoll, da die Rechenzeit ohne wesentliche Genauigkeitsverluste verringert wird. Die Arbeit beginnt mit der Darstellung einiger elektrodynamischer Grundlagen, wobei eine neue Lorenz-quasistatische (LQS) Formulierung hergeleitet und in bestehende Ansätze eingeordnet wird. Nach einer Präsentation der wesentlichen Eigenschaften von IPT-Systemen wird die PEEC-Methode in einer im Vergleich zur Standardformulierung leicht veränderten Form hergeleitet, um den verschiedenen Näherungsverfahren in einer vereinheitlichten Notation Rechnung zu tragen. Die Systemfunktionalität wird hinsichtlich Parametertoleranzen untersucht, wobei die adjungierte Sensitivitätsanalyse auf die PEEC-Methode angewendet und in Verbindung mit Skin-Effekt-Problemstellungen näher untersucht wird. Der präsentierte Modellierungsansatz wird sowohl mit Messungen als auch mit Simulationen auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) für ein typisches RFID-Spulensystem bestätigt. Im Vergleich zu der FEM können mit Hilfe der spezialisierten PEEC-Methode bemerkenswerte Geschwindigkeitsgewinne erzielt werden, wobei die auftretenden Abweichungen typischerweise wenige Prozent nicht überschreiten.German
Uncontrolled Keywords: IPT, inductive power transfer, resonant energy transfer, resonant inductive coupling, electrodynamic inductive effect, antenna systems, near-field antennas, numerical simulation, PEEC, partial element equivalent circuit, RFID, radio frequency identification, PSC, printed spiral coil, quasi-static fields, skin effect, proximity effect, eddy currents, sensitivity analysis, adjoint sensitivity analysis, equivalent circuit, resonance
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
IPT, inductive power transfer, resonant energy transfer, resonant inductive coupling, electrodynamic inductive effect, antenna systems, near-field antennas, numerical simulation, PEEC, partial element equivalent circuit, RFID, radio frequency identification, PSC, printed spiral coil, quasi-static fields, skin effect, proximity effect, eddy currents, sensitivity analysis, adjoint sensitivity analysis, equivalent circuit, resonanceEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 510 Mathematik
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Theorie Elektromagnetischer Felder
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 09 Dec 2010 08:09
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23549
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Weiland, Prof. Dr.- Thomas and Schuhmann, Prof. Dr.- Rolf
Refereed: 30 November 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2354
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