CN104184219A - 一种基于tr的反向协同射频供电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TR的反向协同射频供电系统及方法，该系统包括终端节点、汇聚路由和管理节点三大部分，具体为：一个终端节点、3个汇聚路由和一个管理节点，终端节点通过无线方式与汇聚路由通信，汇聚路由通过有线方式与管理节点连接。所述终端节点与汇聚路由1、汇聚路由2、汇聚路由3的距离分别是20m、40m、30m。本发明技术方案可以提高射频供电系统中接收端功率大小。

Description

一种基于TR的反向协同射频供电系统及方法

技术领域

本发明属于无线通信和电力技术领域，涉及一种基于TR的反向协同射频供电系统及方法。

背景技术

无线供电技术(Wireless charging technology)指无需任何传统意义上的物理连接，电能可以无接触地传输给负载。技术本质上，无线供电技术与无线电通讯中所用技术是一样的，前者着眼于传输电磁波能量，后者重于电磁波表达的信息。无线电技术主要利用电磁波来传递信息(能量)，电磁波又称电磁辐射，是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动。

无线供电技术分为三种方式：电磁感应、电磁共振、电磁转换，刚好对应了近距离(5cm以内)、中距离(10m以内)和远距离(10m以上)无线供电，三种方式对比情况如表1所示。

表1无线供电三种方式对比

方式	传输功率	转换效率	传输距离	实现复杂度
					电磁感应	大	高	<5cm	较简单
电磁共振	较大	较高	<10m	困难
					电磁转换	小	低	>10m	很困难

本发明中的射频供电属于无线供电中的第三种方式——电磁转换，在应急供电情况时，射频供电方式有着巨大的应用价值。

如图1所示,射频供电系统包括发射端和接收端两部分(电磁波传输不需要介质),发射端包含电源适配器、震荡电路、功放模块和天线，接收端包含天线、倍压整流电路、电池和负载。

电磁波在远距离(10m以上)空间辐射时分散严重、衰减巨大且不易收集，接收功率随着距离的增加呈指数形式衰减，射频能量传输效率极其低下。采用射频无线供电方案的难点在于接收端如何收集利用微弱的射频信号能量。一篇中国发明专利申请(申请号为200910040127.5，申请日为2009-6-5，公开号为101908781A，公开日为2010-12-8)中公开了一种利用射频信号进行供电的“无线供电装置”，该无线供电装置采用的倍压整流电路只对两个电容进行充电，转换的电能极为有限，能够在0.5m范围内为低功耗设备供电。另一篇中国发明专利申请(申请号为201110089923.5，申请日为2011-04-12，公开号为102142721A，公开日为2011-08-03)中公开的另一种“射频无线供电系统”，该系统接收端与发射端相距3米时，接收功率可以稳定在10mW。为了在更远的距离实现射频供电，SISO模型已难实现。

(1)时间反演——TR

TR是一种基于信道互易原理的自适应无线传输技术。TR可将在均匀和非均匀媒质中传播的不同路径的声波或电磁波在时间和空间上汇聚于一点，它是这种时空聚焦特性不仅能够有效利用多径效应、提高信噪比、减小码间干扰、提高通信系统的传输速率和距离，而且还可以实现无线保密通信、抑制共道干扰、提高系统容量等。TR现在广泛地被推广应用到超宽带无线通信、微波雷达成像、医学成像检测、无线传感器等领域。

TR技术实现目标探测的过程分为三个步骤，信道探测、记录和反演波形、再发射，如图2所示。

主动源在位置发射的信号，经过复杂的随机信道被所设置天线阵列接收。对于同一接收阵列单元，从时间上来说，首先接收的数据的传播路径是一个相对较短的路径，而较晚接收到的数据则通过了一个较长路径传播。分别将接收到的阵列信号在时间上进行反转，按照相对应的空间位置及时间的顺序，再次从各自的接收点位置处发射回去。由于所处的环境相同，传播所经过的信道相同，信号将会聚焦在原来主动源的位置处，近似地复原之前的发射信号。这是因为在两个过程中，发射信号和接收信号是在相同的传播环境下、经历的路径相同。根据信道的互易不变性的原理使得它们能在目标源的位置准确聚集。

(2)倍压整流电路

倍压整流电路是利用二极管的整流和导引作用，将电压分别贮存到各自的电容上，然后把它们按极性相加的原理串接起来，输出高于输入电压的高压来。此电路可以把较低的交流电压，用耐压较高的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。一般按输出电压是输入电压的多少倍，分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。

(3)天线

天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在自由空间中传播的电磁波，或者进行相反的变换，是无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线，同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的，即在没有衰减的情况下，发送天线发送1W的电磁波能量，接收天线就能收到1W的电磁波能量。

(4)Zigbee技术

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。Zigbee采用TDMA(时分多址)通信制式，在其网络结构中定义了4种帧结构：

信标帧——主协调器用来发送信标的帧；

数据帧——用于所有数据传输的帧；

确认帧/应答帧——用于确认成功接收的帧；

MAC命令帧——用于处理所有MAC层对等实体间的控制传输。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种基于TR的反向协同射频供电系统及方法，提高射频供电系统中终端节点微弱的接收功率。

其具体技术方案为：

一种基于TR的反向协同射频供电系统，包括终端节点、汇聚路由和管理节点三大部分，具体为：一个终端节点、3个汇聚路由和一个管理节点，终端节点通过无线方式与汇聚路由通信，汇聚路由通过有线方式与管理节点连接。

优选地，所述终端节点与汇聚路由1、汇聚路由2、汇聚路由3的距离分别是20m、40m、30m。

一种基于TR的反向协同射频供电方法，包括以下步骤：

1)终端节点定期检查剩余电量Co；

2)当Co>＝Cm(设定阈值)时，返回定期检查步骤；当Co<Cm时，终端节点开始广播充电请求；

3)此时，终端节点在上行的数据帧中写入开始广播时间t1，随后节点进入定时休眠状态；

4)汇聚路由接收到广播请求后，首先在上行数据帧中插入接收广播时间t2，并计算时延τ＝t2-t1，然后把时延信息写入帧中上传给管理节点；

5)管理节点统计3个汇聚路由各自的时延参数，并根据时延大小在下行MAC命令帧不同时隙中写入功率新号P，然后将MAC命令帧反馈给汇聚路由；

6)汇聚路由根据反馈信息定时发送功率新号P；

7)终端节点通过天线接收汇聚能量电磁波，并通过被压整流电路将微弱能量存储到电池中；

8)终端节点定期检查剩余电量Co，当Co<＝C_M(Cm<C_M)时，继续广播充电请求，返回管理节点继续充电；当Co>C_M时，停止广播充电请求，完成充电。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明技术方案可以提高射频供电系统中接收端功率大小。

附图说明

图1是射频供电SISO系统模型；

图2是TR工作原理图，其中图2(a)是信道探测，图2(b)是记录和反馈，图2(c)是再发射；

图3是TR反向协同射频供电SIMO系统模型；

图4是TR射频供电流程图；

图5是上行数据帧结构；

图6是下行MAC命令帧；

图7是二阶改进型全波倍压整流电路；

图8是二阶改进型全波倍压整流电路仿真。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1

终端节点定时检测自身电池剩余电量Co，当剩余电量低于设定阈值Cm时开始广播供电请求，如图3所示。图4中，节点在广播充电请求时在上行数据帧中写入广播时间信息，如图5所示，数据帧TS11时隙中写入t1信息，随后节点进入定时休眠状态。不同的汇聚节点路由收到广播数据帧后首先将接收时间加入帧中，如图5所示，TS13时隙中写入t2，同时计算时延τN＝t2-t1，并将时延写入帧内TS12时隙中，然后将数据帧上传到管理节点汇总；管理节点接收到数据帧后统计不同的TS12时延信息，并协调功率信号的发送时间节点。图6中，在下发给汇聚路由的MAC命令帧内，管理节点根据时延大小在不同的时隙内分别插入功率信号：因为终端节点离路由1最近，离路由2最远，所以管理节点让路由1最晚发送大功率信号，在路由1的MAC命令帧TS15时隙插入P1；让路由2最先发送大功率信号，在路由2的MAC命令帧TS3时隙插入P2；在路由3的MAC命令帧TS11时隙插入P3。随后管理节点将协调信息下传给汇聚节点路由，路由根据反馈信息定时发送大功率电磁波信号P，三个大功率射频信号经过传输后同一时间在终端节点位置叠加，终端节点通过天线接收汇聚的射频能量，最终产生如图3所示的TR反向协同射频供电效果。

设接收信号功率为PR，倍压整流电路消耗功率为PS，经升压后的剩余功率为Pr，电池电压为Uo。已知Pr＝PR-PS，且Pr＝UrIr，当Pr>0时，倍压整流电路开始工作，将Ur升高，当Ur>Uo时，电荷进入电池充电。此时电池开始存储射频能量，充电期间节点定时监测剩余电量，当存储容量到达设定阈值CM后，结束供电，若没有到达CM，则返回到管理节点继续供电。

实施例2

图7中所示为本发明中接收端所用的倍压整流电路——二阶改进型全波倍压整流电路。电路由8个二极管和8个电容组成完全对称的两级镜像放大电路，第一级放大电路由图中所示的C1、C2、C3、C4和D1、D2、D3、D4这8个分立器件组成，这是一阶全波倍压整流电路，电路启动电压是D1和D2两个串联二极管的导通电压之和，理论上一阶全波倍压整流电路可以4倍完美地放大输入信号。只要输入功率能够让第一级电路工作，第二级以后的放大电路就可以一直工作下去。二阶改进型的全波倍压整流电路是一个8倍压整流电路，正常情况下，此电路的输出电压是输入电压的8倍。

图8所示在Multisim中搭建的电路仿真，可以看到此电路用了1.3ms的时间将峰值为762mv的交流信号整流升压到了4.323v，信号放大了8倍，4.3V的电压已经足够为锂电池充电了。

以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于TR的反向协同射频供电系统，其特征在于，包括终端节点、汇聚路由和管理节点三大部分，具体为：一个终端节点、3个汇聚路由和一个管理节点，终端节点通过无线方式与汇聚路由通信，汇聚路由通过有线方式与管理节点连接。

2.根据权利要求1所述的基于TR的反向协同射频供电系统，其特征在于，所述终端节点与汇聚路由1、汇聚路由2、汇聚路由3的距离分别是20m、40m、30m。

3.一种基于TR的反向协同射频供电方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)终端节点定期检查剩余电量Co；

2)当Co>＝Cm(设定阈值)时，返回定期检查步骤；当Co<Cm时，终端节点开始广播充电请求；

3)此时，终端节点在上行的数据帧中写入开始广播时间t1，随后节点进入定时休眠状态；

4)汇聚路由接收到广播请求后，首先在上行数据帧中插入接收广播时间t2，并计算时延τ＝t2-t1，然后把时延信息写入帧中上传给管理节点；

5)管理节点统计3个汇聚路由各自的时延参数，并根据时延大小在下行MAC命令帧不同时隙中写入功率新号P，然后将MAC命令帧反馈给汇聚路由；

6)汇聚路由根据反馈信息定时发送功率新号P；

7)终端节点通过天线接收汇聚能量电磁波，并通过被压整流电路将微弱能量存储到电池中；

8)终端节点定期检查剩余电量Co，当Co<＝C_M，其中Cm<C_M时，继续广播充电请求，返回管理节点继续充电；当Co>C_M时，停止广播充电请求，完成充电。