CN104810930A - 一种多天线磁共振超窄带无线能量信号同频传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多天线磁共振超窄带无线能量信号同频传输系统，包括一个驱动模块，一个天线模块和一个负载模块；驱动模块包括电源、频率发生器、控制器、调制器、功率放大器、阻抗匹配、解调器；天线模块包括多组线圈和调谐电容；负载模块包括阻抗匹配器、整流器、解调器、调制器和应用电路。驱动模块将能量和信号协同发射到自由空间，经过天线模块的无线传输后，被负载模块接收。驱动模块和负载模块中，调制器和解调器采用超窄带技术——甚小线性调频键控（Very Minimum Chirp Keying,VMCK）来克服基于磁共振的无线能量传输系统通信带宽较窄的缺陷。本发明基于磁共振的无线传输，具有传输效率高、传输距离远、可双向通信、不怕障碍、实现灵活等优点。

Description

一种多天线磁共振超窄带无线能量信号同频传输系统

技术领域

本发明涉及能量及信号协同传输技术领域，尤其是涉及一种多天线磁共振超窄带无线能量信号同频传输系统。

背景技术

无线技术，包括无线信号传输和无线能量传输，其发展正如火如荼，并且日益深入到我们生活的方方面面，不断影响和改变我们的日常生活。随着云计算和物联网的兴起，计算和环境感知智能设备将遍布世界，我们居住的地球将成为“智慧地球”。为了实现这一设想，需要一系列关键技术，无线能量及信号协同传输就是其中一种关键技术。无线能量及信号协同传输技术将使终端摆脱电源线和信号线的束缚，具有极大的灵活性、广泛的适应性。这项技术将可以应用到智能通讯、智能电网、智能交通、智能家居和健康医疗等领域，实现物流监控、生产制造加工控制、门禁控制、宠物管理、商品防伪、电子档案(生物技术护照)、健康监护、实时位置服务、军事监视与跟踪、环境监测等多种用途。

目前的无线能量传输技术根据传输机制、应用范围和效率可以分为以下几种类别。远场无线能量及信号协同传输：其典型例子就是无源RFID标签系统，无源RFID标签由阅读器为其供电，同时通过对电磁波的后向散射与阅读器进行通信。近场无线能量及信号协同传输：其典型例子就是感应耦合电能传输系统，实现了电能的无线传输和控制信号的无线通信。

多天线磁共振超窄带无线能量信号同频传输是一种中距离无线能量/信号传输的新型技术，具有很多突出优点，因而具有极大的应用前景。其一，传输效率很高，可以达到70％以上；其二，传输距离相对较远；其三，对负载端的方位没有特殊要求；其四，能够穿越障碍。其五，使用磁场来传输能量和进行通信，不会被周围的电介质影响，因此具有更好的性能。多天线磁共振超窄带无线能量信号同频传输系统特别适合物联网应用，不仅可以传输ID、简单的控制信息，还有望传输功耗相对较高、数据量相对较大、方位多变的各种无源传感器数据，实现信号的双向传输，能够足够快的实时反馈无源传感器信息和控制无源传感器操作，是今后物联网的发展趋势，也是关键技术之一。

发明内容

本发明主要是解决现有基于远场的RFID无线能量及信号协同传输系统能量传输效率过低和基于电磁感应的无线能量及信号协同传输系统传输距离过近等问题；提供了一种多天线磁共振超窄带无线能量信号协同传输系统，该系统具有多个天线，从而使无线能量传输距离远；同时该系统基于磁共振原理，配合超窄带信号传输，能量和信号共用一套天线系统，采用同频率传输，在保证传输效率的前提下节省了空间。

本发明的技术方案为一种多天线磁共振超窄带无线能量信号同频传输系统，包括一个驱动模块，一个天线模块和一个负载模块；天线模块分别与驱动模块、负载模块连接；

所述驱动模块包括电源、频率发生器、控制器、调制器、功率放大器、阻抗匹配器、解调器；电源的输出端分别连接到频率发生器、控制器、调制器、解调器和功率放大器；在能量及信号无线传输流程中，控制器根据待传输的数据产生的相应信号输入调制器，频率发生器产生的工作频率输入调制器，调制器根据工作频率和控制信号所产生的调制波形接入功率放大器，功率放大器的输出连接阻抗匹配器，阻抗匹配器的输出为B端、D端，连接到天线模块；在反馈信号无线传输流程中，B端和D端接收到的数据送至阻抗匹配器，阻抗匹配器的输出连接到解调器，解调器的输出连接到控制器，控制器根据解调的数据进行反馈控制。

所述天线模块包括多组线圈和调谐电容，各组线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处；在能量及信号无线传输流程中，B端和D端输出信号连接到线圈L1和谐振电容C1并联组成的谐振回路，该谐振回路输出信号经自由空间传播到线圈L2和谐振电容C2并联组成的谐振回路；能量和信号经自由空间在多组线圈和谐振电容并联组成的谐振回路之间传输，最后经自由空间传播到线圈L4和谐振电容C4并联组成的谐振回路，并从E端和F端输出；在反馈信号无线传输流程中，E端和F端输出信号经自由空间在多组线圈和谐振电容并联组成的谐振回路之间传输，最后经自由空间传播到线圈L1和谐振电容C1并联组成的谐振回路，并从B端和D端输出。

所述负载模块包括阻抗匹配器、整流器、解调器、调制器和应用电路；在能量及信号无线传输流程中，E端和F端的输出连接到阻抗匹配器；阻抗匹配器的输出分别连接到整流器和解调器；整流器的输出端分别连接到解调器、调制器和应用电路；解调器的输出接入应用电路；在反馈信号无线传输流程中，应用电路反馈的数据接入调制器，调制器根据工作频率和反馈信号所产生的调制波形连接到阻抗匹配器，阻抗匹配器的输出连接到E端和F端。

而且，天线模块由多天线组成，工作在共振状态，从而使传输距离远，传输效率高。

而且，驱动模块和负载模块中，调制器和解调器采用超窄带技术来克服基于磁共振的无线能量传输系统通信带宽较窄的缺陷。基于磁共振的无线能量传输系统为了保证极高的传输效率和较远的传输距离，要求工作在共振状态，属于高Q(品质因子)系统，带宽很窄，从而极大的限制了利用该系统协同传输信息的能力。基于磁共振的无线能量/数据协同传输系统为了获得最大的能量传输效率，必须工作在共振状态，其波形为正弦波。甚小线性调频键控(Very Minimum ChirpKeying,VMCK)方式利用两个波形形状不同的正弦信号的波形来表示逻辑“0”和“1”，可以含有超强载波分量，是基于磁共振无线能量传输系统通信的理想信号波形。

甚小线性调频键控(Very Minimum Chirp Keying,VMCK)方式在一比特周期，信号频率根据发送数据是“1”或者“0”上升或者下降且中心频率等于比特率。去除直流的VMCK表达式定义为：

$S\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}{s}_1\left(t\right)=(1-\mathrm{\α}+{2\mathrm{\αf}}_{s}t)\sin \left[{2\mathrm{\πf}}_s(1-\mathrm{\α}+{\mathrm{\αf}}_{s}t)t\right]\\ s_2\left(t\right)=(1+\mathrm{\α}-2{\mathrm{\αf}}_{s}t)\sin \left[{2\mathrm{\πf}}_s(1+\mathrm{\α}-{\mathrm{\αf}}_{s}t)t\right]\end{array}\right.$

式中，0<α≤1，0<t≤1/f，s₁(t)和s₂(t)分别代表发送的数据“1”和“0”，fs是发送数据率同时也是每比特数据的中心频率，α是调制系数，不同调制系数对应不同能量集中度的调制方式。

s₁(t)和s₂(t)的频率函数为：

$f\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}{f}_1\left(t\right)=f_s(1-\mathrm{\&alpha;}+2{\mathrm{\&alpha;f}}_{s}t)\\ f_2\left(t\right)=f_s(1+\mathrm{\&alpha;}-2{\mathrm{\&alpha;f}}_{s}t)\end{array}\right.$

这种调制方式使用频率线性上升或者下降之间的差异来代表不同的发送信息，调制系数α的大小决定了不同波形样本之间差异度的大小，α越小波形样本之间的差异度越小，同时由于它的频率变化范围小，能量集中度也随之提高，基于磁共振的无线能量传输效率越高。fs是频率变化函数的中心频率，同时也是码元中间时刻T/2对应的频率。

而且，阻抗匹配器采用一系列串并联的集总R、L、C元件和变容二极管组成π型阻抗匹配网络构成。

本发明适用于需要同时传输控制数据的中距离无线供电系统。通过同一组天线(或线圈)，同时传输能量和信号，既可以对负载端进行无线供电，也可以传输控制数据，对负载端的无线供电进行控制，并且数据通信具有双向通信的特征，负载端能将反馈信息传回驱动端，从而控制驱动端相应改变无线供电模式，也能将负载端的数据(如各种传感数据)无线传回驱动端。这种系统具有传输效率高、传输距离远、可双向通信、不怕障碍、实现灵活等优点。

附图说明

图1是本发明实施例的系统原理图；

图2是本发明实施例中驱动模块的框图；

图3是本发明实施例中天线模块的框图；

图4是本发明实施例中负载模块的框图；

图5是本发明实施例中的系统电路框图。

具体实施方式

本发明中，能量和信号共用一套多天线模块采用同频进行基于磁共振方式的无线传输。以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

参见图1、图5，本发明实施例包括一个驱动模块1，一个天线模块2和一个负载模块3。

参见图2，本发明实施例中的驱动模块1包括电源11、频率发生器12、调制器13、功率放大器14、阻抗匹配器15、解调器16和控制器17。电源11的输出端分别连接到频率发生器12、调制器13、功率放大器14、解调器16和控制器17。在具体实施时，电源11采用开关电源，为频率发生器12、调制器13、功率放大器14、解调器16和控制器17提供合适的直流电源。除接收电源11输入的直流电源之外，频率发生器12、调制器13、功率放大器14、解调器16和控制器17的相关具体电路连接有：频率发生器12的输出端与调制器13的输入端相连。所述频率发生器12主要完成振荡信号的产生，为能量和信号的传输提供一个发射频率，即本系统的工作频率。具体实施时可采用DDS芯片AD9832实现，产生需要频率的正弦波信号。工作频率一般为10MHz左右，也可以采用其他大小的频率。本发明实施例的工作频率采用10MHz。控制器17的输入端与解调器16相连，输出端与调制器13相连。在具体实施时，控制器17可以采用8051单片机。在从驱动模块向负载模块发射能量和信号的过程中，控制器17产生控制信号，和能量一起协同发射。在负载模块向驱动模块反馈传输数据时，控制器17接收解调器16输出的数据，从而得到传输的传感器数据和反馈的控制信号。调制器13的输入端与频率发生器12和控制器17相连，输出端与功率放大器14连接。在具体实施时，调制器13采用甚小线性调频键控(Very MinimumChirp Keying,VMCK)方式在一比特周期，信号频率根据发送数据是“1”或者“0”上升或者下降且中心频率等于比特率。去除直流的VMCK表达式定义为：

$S\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}{s}_1\left(t\right)=(1-\mathrm{\&alpha;}+{2\mathrm{\&alpha;f}}_{s}t)\sin \left[{2\mathrm{\&pi;f}}_s(1-\mathrm{\&alpha;}+{\mathrm{\&alpha;f}}_{s}t)t\right]\\ s_2\left(t\right)=(1+\mathrm{\&alpha;}-2{\mathrm{\&alpha;f}}_{s}t)\sin \left[{2\mathrm{\&pi;f}}_s(1+\mathrm{\&alpha;}-{\mathrm{\&alpha;f}}_{s}t)t\right]\end{array}\right.$

式中，0<α≤1，0<t≤1/f，s₁(t)和s₂(t)分别代表发送的数据“1”和“0”，fs是发送数据率同时也是每比特数据的中心频率，α是调制系数，不同调制系数对应不同能量集中度的调制方式。在实际应用中，α可以取0.1，调制器13和解调器16都可以用FPGA芯片XC4VLX25。数据调制在能量载波上后，可和能量一起协同无线传输。载波的频率由频率发生器12产生，即工作频率。功率放大器14的输入端与调制器13相连，输出端与阻抗匹配器15相连。所述的功率放大模块14可以采用E类功率放大，效率高，在提供必须的功率强度下，保证频率精度。阻抗匹配器15的输入端与功率放大器14相连，输出端为B端和D端。在实际应用中，阻抗匹配器采用一系列串并联的集总R、L、C元件和变容二极管组成π型阻抗匹配网络，实现天线模块2与前端电路的阻抗匹配。在从驱动模块向负载模块发射能量和信号的过程中，所述的阻抗匹配器15与输入端B端和D端相连，经过天线模块2将能量和信号无线发射到自由空间。在负载模块向驱动模块反馈传输数据时，天线模块2的输出端连接到阻抗匹配器15，将从自由空间接收到的数据送至阻抗匹配器15。

本发明的天线模块包括多组线圈和调谐电容，各组线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处。参加图3，本发明实施例中的天线模块2包括驱动线圈L1和驱动调谐电容C1，发射线圈L2和发射调谐电容C2，中继线圈Ln和中继调谐电容Cn，接收线圈C3和接收调谐电容C3，负载线圈C4和负载调谐电容C4。在能量及信号无线传输流程中，B端和D端输出信号连接到线圈L1和谐振电容C1并联组成的谐振回路，该谐振回路输出信号经自由空间传播到线圈L2和谐振电容C2并联组成的谐振回路；能量和信号经自由空间在多组线圈和谐振电容并联组成的谐振回路之间传输，最后经自由空间传播到线圈L4和谐振电容C4并联组成的谐振回路，并从E端和F端输出。在反馈信号无线传输流程中，E端和F端输出信号经自由空间在多组线圈和谐振电容并联组成的谐振回路之间传输，最后经自由空间传播到线圈L1和谐振电容C1并联组成的谐振回路，并从B端和C端输出。在实际应用中，发射线圈L1和负载线圈L4为圆形线圈，其他线圈为螺旋线圈，调谐电容为可变电容。

本发明的负载模块包括阻抗匹配器、整流器、解调器、调制器和应用电路；在能量及信号无线传输流程中，E端和F端接入的输入端连接到阻抗匹配器；阻抗匹配器的输出端分别连接到解调器和整流器，从而向解调器提供驱动模块发送的数据(主要包括控制命令数据)，向整流器提供能量；整流器的输出端分别连接到解调器、调制器和应用电路；解调器的输出接入应用电路；在反馈信号无线传输流程中，应用电路反馈的数据(传感数据等)输入调制器，调制器根据工作频率和数据信号所产生的调制波形连接到阻抗匹配器，阻抗匹配器将调制波形作为反馈输出信号连接到E端和F端。

参见图4，本发明实施例中的负载模块4包括阻抗匹配器51、整流器52、解调器53、应用电路55和调制器54。在从驱动模块1向负载模块3发射能量和信号的过程中，E端和F端接收到的信号提供给阻抗匹配器51。阻抗匹配器51的输出连接到整流器52和解调器53。在负载模块向驱动模块反馈传输数据时，阻抗匹配器51将反馈数据输出到E端和F端。整流器52的输入端连接到阻抗匹配器51，输出端连接到解调器53、应用电路55和调制器54。所述的整流器52对阻抗匹配器51的输出信号进行高频整流，输出供解调器53、应用电路55和调制器54使用的直流信号，可以采用二极管整流。除接收整流器52输入的直流信号之外，解调器53、应用电路55和调制器54的相关具体电路连接有：解调器53的输入端连接到阻抗匹配器51，输出端连接到应用电路55。所述的解调器53采用VMCK解调器，对阻抗匹配器51的输出信号进行解调，得到与能量协同无线传输的数据，供应用电路55使用。在从驱动模块向负载模块发射能量和信号的过程中，应用电路55的输出端连接到调制器54。调制器54的输出端连接到阻抗匹配器51。所述的调制器采用VMCK调制。阻抗匹配器51的输入端连接到调制器55的输出端，输出端连接到E端口和F端口，将反馈的数据通过天线模块发送到自由空间。应用电路55(如传感器电路、电池状态控制电路、数据采集电路等)的输入端连接到解调器53，由解调器53输出的控制信号控制。应用电路55的数据也可以反馈输出到调制器54。

本发明实施例的工作过程为：在无线传输能量/信号时，电源11为频率发生器12、调制器13、功率放大器14、解调器16和控制器17提供电力。频率发生器12产生能量无线传输的工作频率。控制器17产生需要的控制信号，然后通过调制器13将编码后的信号调制到能量载波上，包含能量/信号的正弦波通过功率放大器14放大，通过阻抗匹配器15后由天线模块2发射到自由空间。驱动线圈L1和谐振电容C1组成的谐振电路谐振于工作频率。发射线圈L2和谐振电容C2组成的谐振电路谐振于工作频率。发射线圈L2接收到驱动线圈无线传输的能量/信号，然后同样无线传输到自由空间。中继线圈Ln和谐振电容Cn组成的谐振电路谐振于工作频率。中继线圈Ln接收到发射线圈L2无线传输的能量/信号，然后同样无线传输到自由空间。接收线圈L3和谐振电容C3组成的谐振电路谐振于工作频率。接收线圈L3接收到中继线圈Ln无线传输的能量/信号，然后同样无线传输到自由空间。负载线圈L4接收到接收线圈L3无线传输到自由空间的能量/信号，送至阻抗匹配器51。阻抗匹配器51的输出信号分别送至整流器52和解调器53。整流器52将接收到的无线传输的能量转换为直流，为解调器53、应用电路55和调制器54供电。解调器53将无线传输的信号提取出来，供应用电路使用。应用电路55可能有些数据需要反馈回驱动模块，如传感器采集的数据，这些数据反向输入到调制器54进行调制，然后发送到阻抗匹配器51。阻抗匹配器51的输出端连接到天线模块2，将反馈的数据发射到自由空间。数据通过天线模块2的无线传输后，经过阻抗匹配器15后输出给解调器16。解调器16将数据解调后控制器17进一步处理，如根据解码所得反馈的数据决定是否需要对发射的能量/信号进行调整。需要则调整待输出的数据(例如根据传感器采集的数据改变控制命令数据)，继续进行如上能量及信号无线传输流程、反馈信号无线传输流程，支持实时传输调整。

以上内容是结合最佳实施方案对本发明说做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求书限定的情况下，可以在细节上进行各种修改，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多天线磁共振超窄带无线能量信号同频传输系统，其特征在于：包括一个驱动模块，一个天线模块和一个负载模块；天线模块分别与驱动模块、负载模块连接；

所述驱动模块包括电源、频率发生器、控制器、调制器、功率放大器、阻抗匹配器、解调器；电源的输出端分别连接到频率发生器、控制器、调制器、解调器和功率放大器；在能量及信号无线传输流程中，控制器根据待传输的数据产生的相应信号输入调制器，频率发生器产生的工作频率输入调制器，调制器根据工作频率和控制信号所产生的调制波形接入功率放大器，功率放大器的输出连接阻抗匹配器，阻抗匹配器的输出为B端、D端，连接到天线模块；在反馈信号无线传输流程中，B端和D端接收到的数据送至阻抗匹配器，阻抗匹配器的输出连接到解调器，解调器的输出连接到控制器，控制器根据解调的数据进行反馈控制。

2.如权利要求1所述的一种多天线磁共振超窄带无线能量信号同频传输系统，其特征在于：

所述天线模块包括多组线圈和调谐电容，各组线圈和调谐电容并联组成谐振回路，并谐振于工作频率处；在能量及信号无线传输流程中，B端和D端输出信号连接到线圈L1和谐振电容C1并联组成的谐振回路，该谐振回路输出信号经自由空间传播到线圈L2和谐振电容C2并联组成的谐振回路；能量和信号经自由空间在多组线圈和谐振电容并联组成的谐振回路之间传输，最后经自由空间传播到线圈L4和谐振电容C4并联组成的谐振回路，并从E端和F端输出；在反馈信号无线传输流程中，E端和F端输出信号经自由空间在多组线圈和谐振电容并联组成的谐振回路之间传输，最后经自由空间传播到线圈L1和谐振电容C1并联组成的谐振回路，并从B端和D端输出。

3.如权利要求2所述的一种多天线磁共振超窄带无线能量信号同频传输系统，其特征在于：

所述负载模块包括阻抗匹配器、整流器、解调器、调制器和应用电路；在能量及信号无线传输流程中，E端和F端的输出连接到阻抗匹配器；阻抗匹配器的输出分别连接到整流器和解调器；整流器的输出端分别连接到解调器、调制器和应用电路；解调器的输出接入应用电路；在反馈信号无线传输流程中，应用电路反馈的数据接入调制器，调制器根据工作频率和反馈信号所产生的调制波形连接到阻抗匹配器，阻抗匹配器的输出连接到E端和F端。

4.如权利要求3所述一种多天线磁共振超窄带无线能量信号同频传输系统，其特征在于： 所述天线模块包括多天线，工作在共振状态，且能量和信号传输共用这套天线系统，采用同频率，从而使传输距离远，传输效率高。

5.如权利要求3所述一种多天线磁共振超窄带无线能量信号同频传输系统，其特征在于：所述驱动模块和负载模块中，调制器和解调器采用超窄带技术来克服基于磁共振的无线能量传输系统通信带宽较窄的缺陷；采用的甚小线性调频键控方式在一比特周期，信号频率根据发送数据是“1”或者“0”上升或者下降且中心频率等于比特率。

6.如权利要求3所述一种多天线磁共振超窄带无线能量信号同频传输系统，其特征在于：所述阻抗匹配器采用串并联的集总R、L、C元件和变容二极管组成π型阻抗匹配网络构成。