CN104836592B - 无线携能通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线携能通信装置，主要解决现有移动设备使用电池或线缆供电方式所带来的不便以及现有无线能量传输和无线通信不能并行使用的问题。该发明包括发射单元和接收单元，其中发射单元包括一根微带发射天线、第一选频电路、第一数传模块、功率放大器和发射匹配电路；接收单元包括一根微带接收天线、第二选频电路、第二数传模块、接收匹配电路和整流电路。发射单元将基站不同频率的通信信息和能量信号融合在一起并经过发射天线发射；接收单元从接收到的混合信号中分离出通信信息和能量信号，并在输出端给移动设备提供直流电能。本发明减小了设备体积，扩展了移动设备在诸多复杂特殊场合的应用。

Description

无线携能通信装置

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，特别涉及一种无线携能通信装置，可用于各类终端之间信息交换和能量传输。

背景技术

目前，移动设备使用的无线技术只能传输信息不能携带电能，其供电方式一般采用电池供电或电源线供电，而这样的供电方式会造成设备体积的增大、待机时间的受限，进而在诸多场合会严重限制移动设备的应用。例如在地下埋设、危险环境、空间飞行器等传感器应用场合中，更换电池或铺设线缆代价极大，且线缆在移动或缠绕时可能存在因为磨损或老化而带来不安全因素的风险。

随着电力电子技术的进步，为了解决现有移动设备的供电方式所带来的不便，出现了无线能量传输技术。其主要包括：电磁感应方式、电磁耦合共振方式和基于微波或光波的远场辐射方式。其中：

电磁感应能量传输系统，具有传输效率高、简单易行的特点，但是其传输距离十分有限，当距离增大时，能量损耗严重，且易受收发端的位移和频率变化的影响；

电磁耦合共振的能量传输系统，属于近场无损非辐射共振耦合，其可在几倍于振荡器尺寸的中距离实现高效传输，但接受端与发送端之间的耦合系数会随着距离增大而迅速减小，使得接受端得到的能量大幅减少；

基于微波或光波的远场辐射的能量传输系统，具有定向性好、传输距离远的特点，但信号损耗随距离增大而快速增加，还易受天气和其他微波应用的影响。

目前微波能量和数据传输的解决方法，是通过两对天线对能量和数据分别进行发送和接收，这种方法存在无线能量传输和无线通信不能并行使用的问题，同时由于两对天线的体积较大，因而在有体积限制的特殊环境中，无线设备的应用受到了限制。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种无线携能通信装置，以高效、远距离的实现信息与能量的并行传输，并减小电路体积，增强设备的适用性。

本发明是这样实现的：

一.技术思路

本发明借鉴通信领域常用的频分复用的思想。在同一天线下采用数据通信和能量传输两个传输子通道，使用微波输能的方式进行无线能量传输，提高能量的传输效率和传输距离。

二.技术方案

本发明的无线携能通信装置，包括发射单元和接收单元，发射单元包括发射天线1、第一选频电路2、第一数传模块3、功率放大器4和发射匹配电路5；接收单元包括；接收天线8、第二选频电路9、第二数传模块10、接收匹配电路11、和整流电路12，其特征在于：

所述发射天线1，采用能同时进行能量发送和接收与发送信息交互的一根微带天线；

所述接收天线8，采用能同时进行能量接收和发送与接收信息交互的一根微带天线；

所述第一选频电路2，第二选频电路9，均采用中心频率为能量信号频率和数据信号频率的微带窄带带通滤波器，用于将能量信号与数据信号进行分离；

所述发射匹配电路5，采用L型匹配电路，用于在数据信号频率下将发射天线的特性阻抗匹配到50欧姆，以减小发射天线1对通信数据的回波损耗，提高通信数据传输效率；

所述接收匹配电路11，采用T型匹配电路，用于在数据信号频率下将接收天线的特性阻抗匹配到50欧姆，以减小接收天线8对通信数据的回波损耗，实现通信数据的最大效率传输。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的发射天线和接收天线由于均采用一根微带天线，使得设备在同一天线下能够实现数据和能量的并行传输，减小了设备的体积，增强了设备的适用性。

2、本发明由于采用了发射匹配电路和接收匹配电路，使设备在数据与能量并行传输的情况下还能够保证通信数据传输效率。

3、本发明由于采用了第一选频电路和第二选频电路，使得并行传输的数据信号与能量信号能够分离，这时移动设备可以受数据信号和能量信号作用而不相互干扰。

4、本发明由于采用微波输能的供电方式替代原来的移动设备使用电池或者线缆的供电方式，从而延长了移动设备的待机时间，扩展了移动设备在诸多复杂特殊场合会的应用。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明中的发射单元的原理框图；

图3是本发明中的接收单元的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，本发明的无线携能通信装置，包括发送单元和接收单元，其中发射单元，用于将基站不同频率的通信信息和能量信号融合在一起并经过发射天线发射；接收单元用于从接收到的混合信号中分离出通信信息和能量信号，并在输出端给移动设备提供直流电能。

参照图2，本发明的发射单元包括发射天线1、第一选频电路2、第一数传模块3、功率放大器4、发射匹配电路5，其中：

所述发射天线1，采用一根微带天线，用于同时进行能量的发送以及进行接收信号与发送信息的交互；

所述第一选频电路2，包括通信选频电路21和能量选频电路22，用于将数据信号与能量信号进行分离；该通信选频电路21，采用中心频率为数据信号频率的微带窄带带通滤波器，其输入端与发射匹配电路5的输出端相连接，其输出端分别与能量选频电路22的输出端和发射天线1的输入端相连接；该能量选频电路22，采用中心频率为能量信号频率的微带窄带带通滤波器，其输入端与功率放大器4的输出端相连接。

所述第一数传模块3，采用频率为433MHz的无线模块，其输入端为通信信号的输入/输出端口，其输出端与发射匹配电路5的输入端相连接，用以发送由基站发来的通信信息和接收由第二数传模块10发来的传感器数据，其中通信信息的作用为控制外部移动设备测取设备周围环境信息，传感器数据是由外部移动设备测取的设备周围环境信息。

所述功率放大器4，其输入端为微波能量信号的输入端，其输出端与能量选频电路22的输入端相连接，用以放大微波能量信号。

所述发射匹配电路5，采用L型匹配电路，其输入端与第一数传模块3的输出端相连接，其输出端与通信选频电路21的输入端相连接，用于在数据信号频率下将发射天线1的特性阻抗匹配到50欧姆，以减小发射天线1对通信数据的回波损耗，提高通信数据传输效率。

参照图3，本发明的接收单元包括接收天线8、第二选频电路9、第二数传模块10、接收匹配电路11和整流电路12，其中：

所述接收天线8，采用一根微带天线，用于同时进行能量接收和发送与接收信息的交互。

所述第二选频电路9，包括通信选频电路91和能量选频电路92，用于将数据信号与能量信号进行分离；该通信选频电路91，采用中心频率为数据信号频率的微带窄带带通滤波器，其输入端与接收匹配电路11的输出端相连接，其输出端分别与能量选频电路92的输入端和接收天线8的输出端相连接；该能量选频电路92，采用中心频率为能量信号频率的微带窄带带通滤波器，其输出端与整流电路的输入端相连接。

所述第二数传模块10，采用频率为433MHz的无线模块，其输入端为通信信号的输入/输出端口，其输出端与接收匹配电路11的输入端相连接，用以接收由第一数传模块3发来的通信信息和发送由外部移动设备所测的数据。

所述接收匹配电路11，采用T型匹配电路，其输入端与通信选频电路91的输出端相连接，其输出端与第二数传模块10的输入端相连接，用于在数据信号频率下将接收天线8的特性阻抗匹配到50欧姆，以减小接收天线8对通信数据的回波损耗，实现通信数据的最大效率传输。

所述整流电路12，其输入端与能量选频电路92的输出端相连接，其输出端为直流电能的输出端。

本发明的工作原理如下：

第一数传模块3以433MHz频率发出通信信息，此信息通过发射匹配电路5和通信选频电路21后由发射天线1发出；频率为2.45GHz的能量信号依次经功率放大器4放大和能量选频电路22选频后，通过发射天线1发出。

接收天线8将接收到的信号通过通信选频电路91和能量选频电路92选频后分离出通信信息和能量信号，该通信信息再经过接收匹配电路11和第二数传模块10对外部移动设备进行数据读取操作，取回的数据可由原通道返回到发送端；该能量信号经过整流电路12后，转变为直流电，为后端设备供电。

上述实施例仅是对本发明的参考说明，不构成对本发明的任何限制，显然，对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不离背本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，例如发射及接收天线可用喇叭天线等其他样式的天线，发射及接收匹配电路可用π型等其他结构形式，能量信号，数据信号的频率都可选用其他频率，相应的数传模块频率要与数据信号频率一致，能量选频电路和通信选频电路的中心频率要分别与能量信号频率和数据信号频率一致。但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线携能通信装置，包括发射单元和接收单元，发射单元包括发射天线(1)、第一选频电路(2)、第一数传模块(3)、功率放大器(4)和发射匹配电路(5)；接收单元包括；接收天线(8)、第二选频电路(9)、第二数传模块(10)、接收匹配电路(11)、和整流电路(12)，所述第一数传模块(3)，其输入端为通信信号的输入/输出端口，其输出端与发射匹配电路(5)的输入端相连接，所述功率放大器(4)，其输入端为微波能量信号的输入端，其输出端与第一选频电路(2)的输入端相连接，所述第二数传模块(10)，其输入端为通信信号的输入/输出端口，其输出端与接收匹配电路(11)的输入端相连接；所述整流电路(12)，其输入端与第二选频电路(9)的输出端相连接，其输出端为直流电能的输出端，其特征在于：

所述发射天线(1)，采用能同时进行能量发送和接收与发送信息交互的一根微带天线；

所述接收天线(8)，采用能同时进行能量接收和发送与接收信息交互的一根微带天线；

所述第一选频电路(2)，第二选频电路(9)，均采用中心频率为能量信号频率和数据信号频率的微带窄带带通滤波器，用于将能量信号与数据信号进行分离；

所述发射匹配电路(5)，采用L型匹配电路，其输入端与第一数传模块(3)的输出端相连接，其输出端与第一选频电路(2)的输入端相连接，用于在数据信号频率下将发射天线(1)的特性阻抗匹配到50欧姆，以减小发射天线(1)对通信数据的回波损耗，提高通信数据传输效率；

所述接收匹配电路(11)，采用T型匹配电路，其输入端与第二选频电路(9)的输出端相连接，其输出端与第二数传模块(10)的输入端相连接，用于在数据信号频率下将接收天线(8)的特性阻抗匹配到50欧姆，以减小接收天线(8)对通信数据的回波损耗，实现通信数据的最大效率传输。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：第一选频电路(2)，包括通信选频电路(21)和能量选频电路(22)；该通信选频电路(21)，其输入端与发射匹配电路(5)的输出端相连接，其输出端分别与能量选频电路(22)的输出端和发射天线(1)的输入端相连接；该能量选频电路(22)的输入端与功率放大器(4)的输出端相连接。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：第二选频电路(9)，包括通信选频电路(91)和能量选频电路(92)；该通信选频电路(91)，其输入端分别与能量选频电路(92)的输入端和接收天线(8)的输出端相连接，其输出端与接收匹配电路(11)的输入端相连接；该能量选频电路(92)的输出端与整流电路(12)的输入端相连接。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：发射匹配电路(5)，其输入端与第一数传模块(3)的输出端相连接，其输出端与通信选频电路(21)的输入端相连接。

5.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于：接收匹配电路(11)，其输入端与通信选频电路(91)的输出端相连接，其输出端与第二数传模块(10)的输入端相连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：发射天线(1)和接收天线(8)的最佳匹配频率为能量传输所使用的频率，以减少能量的回波损耗，实现能量的最大功率传输。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：第一数传模块(3)，其输入端为通信信号的输入/输出端口，其输出端与发射匹配电路(5)的输入端相连接，用以给第二数传模块(10)发送通信信息和接收由第二数传模块(10)发来的数据。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：第二数传模块(10)，其输入端为通信信号的输入/输出端口，其输出端与接收匹配电路(11)的输入端相连接，用以接收由第一数传模块(3)发来的通信信息和发送由外部移动设备所测的数据。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：功率放大器(4)，其输入端为微波能量信号的输入端，其输出端与能量选频电路(7)的输入端相连接，用以放大微波能量信号。