CN106602746A - 一种基于聚焦波的微波窄带无线输能方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于聚焦波的微波窄带无线输能方法及装置，属于无线输能技术。与传统的无线输能机制以及基于短脉冲的宽带TR无线输能技术不同，本发明采用近似于单频的窄带信号(带宽小于中心频率的10％)，利用TR天线阵列将电磁能量以“点聚焦”的形式送至目标点处，而在点聚焦处则通过放置全向受能天线，将空间电磁波转化为高频电流，最后通过整流电路得到直流输出，实现电磁能量的无线输送。本发明采用窄带信号进行TR无线输能，相比于短脉冲，窄带信号在单位时间内可以携带更多的能量，且整流效率更高；能够自适应地追踪目标位置，无需复杂的定位系统，还可以实现多目标的无线输能。
Description
技术领域
本方法涉及无线输能技术，具体涉及一种基于电磁聚焦波的微波窄带无线输能方法。
背景技术
无线输能是指不通过可见物理媒质的接触进行能量传输的技术，系统基本框架与无线通信系统相似。但是，前者着眼于能量传输，而后者着眼于信息传递。无线输能无需金属电极的直接连接，可避免导体裸露和电火花产生。相对于传统的有线输能，无线输能具有安全性高、使用便利等优点。更为重要的是，无线输能可用在一些无法架设电线的特殊场合，例如为植入人体的设备充电、为无线传感器网络充电等。这些独特的技术优势，使得无线输能在智能家居、医疗护理、交通运输、精细农业、航空航天、军事国防等领域具有极高的科研价值和广阔的应用前景。
目前，基于电磁学的无线输能方式主要有电磁感应耦合技术(InductivelyCoupledPower Transfer，ICPT)、磁共振耦合技术(Magnetic Resonance Coupling，MRC)和微波能量传输技术(MicrowavePowerTransfer，MPT)。
(1)ICPT技术基于电磁感应原理，通过感应线圈之间的磁耦合来传递能量，该技术的工作频率较低，一般为几十到几百kHz，具有系统结构简单、技术可靠、制造成本低等优点。此外，ICPT系统的短距离能量传输效率极高，一般在90％左右，例如，文献"Design andOptimization of Mutual Inductance for High Efficiency ICPT System(2016 IEEE8th International Power Electronics and Motion Control Coference(IPEMC-ECCEAsia).Yuanchao Liu,Weiping Zhang.etc)"提出的一种基于Series-Series(SS)拓扑结构的ICPT系统，该系统在15cm的传输距离上获得了88％的能量传输效率。但是，ICPT技术并不适用于中远距离的能量传输，且对收发线圈的相对位置极为敏感，当传输距离超过线圈直径的30％(一般为10cm左右)或收发线圈没有严格对齐时，ICPT系统的能量传输效率将会显著下降。
(2)MRC技术基于电磁共振原理，可以在米级范围内达到较高的传输效率，且对小范围的位置变化不敏感，增加耦合线圈个数还将进一步提高传输距离。在文献"Range-adaptive wireless power transfer using multiloop and tunable matchingtechniques(IEEE,2015,62(10):6233-6241.Jungsik Kin and Jinho Jeong)"中，谐振频率为13.56MHz的MRC系统在收发线圈距离1米时能够获得最大的传输功率，且能量传输效率达到了48％。但是，MRC技术的系统工作频率较高，一般在MHz以上，要求高Q值的谐振结构，对电路器件的要求高。而且，该技术的能量传输仍受收发线圈相对位置的影响，存在能够传输最大功率的最佳距离，如何自适应地获得最大的传输功率是MRC技术的一大难点。
(3)MPT技术基于电磁辐射原理，传输距离可至数km以上，甚至可实现太空输能。据文献"Space solar power programs and microwave wireless power transmissiontechnology(IEEE,2002,3(4):46-57.MCSPADDEN J O and MANKINS J C)"研究表明，当收发天线的方向性足够高时，微波能量由发射天线到接收天线的远距离传输效率可以达到81.5％。虽然极高的天线方向性能够使得微波能量集中在传输路径上、提高能量传输效率，但是会对传输路径上的人体健康产生较大的损害。而且，MPT系统还需要复杂的定位追踪系统，来保证收发天线的方向对准，硬件实施非常复杂且不灵活。
近年来，出现一种基于时间反演(Time Reversal,TR)电磁波传输的新型无线输能技术(专利“一种基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统和方法：CN201010568332.1，2010.11.30”)。该专利采用基于短脉冲的宽带TR技术，为无线传感器网络节点进行充电，其优点在于可以使得电磁能量自适应地聚焦于缺电传感器节点处，无需复杂的定位系统。2016年，文献“Experiments of time-reversed pulse waves forwireless power transmission in an indoor environment”(IEEE Trans.MicrowaveTheory and Techniques,vol.64,no.7,July 2016.Rony Ibrahim,et al.)实验研究了基于TR脉冲波的室内无线输能效能。但是，这些TR输能系统基本上都采用短脉冲作为试探信号，在进行TR操作时，需要高速的模数转换器，实现难度大、成本高。另外，短脉冲在单位时间内可以传输的能量少，而且短脉冲的频带较宽，导致整流效率低。
发明内容
本发明提出一种基于聚焦波的微波窄带无线输能方法及装置。与传统的无线输能机制以及基于短脉冲的宽带TR无线输能技术不同，本发明采用近似于单频的窄带信号(带宽小于中心频率的10％)，利用TR天线阵列将电磁能量以“点聚焦”的形式送至目标点处，而在点聚焦处则通过放置全向受能天线，将空间电磁波转化为高频电流，最后通过整流电路得到直流输出，实现电磁能量的无线输送。
本发明的基本思路为：受能天线周围围绕有N个TR天线，由这N个TR天线作为阵元构成一个“TR天线阵”。首先将受能天线作为发射天线，发射一窄带的试探信号，同时由“TR天线阵”各阵元接收相应的试探信号，并对各阵元接收的信号进行时间反演处理，得到TR信号；然后，由“TR天线阵”各阵元将相应的TR信号重新发射回去，根据时间反演的环境自适应性和空时聚焦特性，电磁波将聚焦于受能天线处，此时，受能天线作为接收天线，即可得到高频电流；最后，受能天线接收到的高频电流经过整流电路后，即可转化为直流并为负载供电。
TR过程能够采集信道信息并对信道进行补偿，从而使电磁波聚焦于目标点处。当环境发生改变或目标位置移动时，只需再进行一次TR操作，重新采集信道信息，即可使电磁波仍在目标点处聚焦。因此，本发明采用的TR技术能够自适应地追踪目标位置，同时，环境的变动以及障碍物的存在对能量的传输几乎没有影响。并且，由于电磁波的干涉相消作用，非聚焦区域电磁能量的强度很低，电磁波对人体健康的影响较小，大大提高了能量传输的安全性。另外，TR天线只需采用普通的全向天线即可，相比于对方向性要求极高的定向天线，设计难度和制作成本大大降低。根据线性叠加原理，在线性条件下，任意空间场均可以分解为若干基本场的线性叠加，反之，也可以通过这些基本场的叠加，构建出具有任意场强分布的空间场。采用由TR技术在不同目标点处产生的聚焦场作为基本场，即可实现电磁能量的多点聚焦，进而实现对多个目标的无线输能。
在此之前，时间反演在能量领域的研究大多采用短脉冲作为试探信号，而本发明首次采用窄带信号作为试探信号进行TR无线输能。相比于短脉冲，窄带信号在单位时间内携带的能量更多，且整流效率更高，另外，在窄带系统中，信号可以近似用相量形式表示，只需要确定信号的幅度与相位，即可还原出该信号，而无需采用高速的模数转换器将信号在每一个时刻的值全部记录下来。因此，可显著降低TR物理实现难度和成本。
本发明提供了一种基于聚焦波的微波窄带无线输能方法，具体包括以下步骤：
步骤一：发射窄带的试探信号，进行无线信道探测。使用中心频率为f0的窄带试探信号激励受能天线；
步骤二：将设置于受能天线周围的N个TR天线置于接收状态，接收试探信号，并记录所有TR天线接收信号的幅度与相位。当所有TR天线接收信号的幅度与相位均被检测并记录时，无线信道探测完毕；
步骤三：信道探测完毕后，即可进行无线输能。对步骤二中各个TR天线接收的信号进行时间反演(对窄带信号，时间反演可近似为相位取反)操作并放大，得到N个TR信号。分别使用N个TR信号激励对应的TR天线，同时将受能天线置于接收状态。根据时间反演的环境自适应性以及空时聚焦特性，电磁能量将以点聚焦的形式送至受能天线处；
步骤四：无线能量的接收。位于点聚焦处的受能天线将空间电磁波转换为高频电流，最后通过整流电路得到直流的输出，为负载供电。
当环境改变或受能天线位置发生变化时，跳转步骤一，再次发射试探信号，重新进行无线信道探测，即可使得电磁能量仍在受能天线处聚焦。
进一步地，本发明采用的窄带信号的带宽小于其中心频率的10％，使其可以近似作为单频信号处理。
特别地，本发明受能天线及TR天线设置于同一金属混响腔内，受能天线不仅能够接收到直接来自TR天线的电磁波，还能够接收到来自金属壁的反射波，等效地增大了受能天线的接收面积，进而提高无线输能效率。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用的TR技术能够自适应地追踪目标位置，无需复杂的定位系统；
(2)本发明形成的场为高强度的聚焦场，在非聚焦区域电磁场能量的强度很低，电磁波对人体健康的影响极小，电磁辐射的安全性高；
(3)本发明采用的TR技术可以实现电磁能量的多点聚焦，进而实现多目标的无线输能；
(4)本发明采用窄带信号进行TR无线输能。相比于短脉冲，窄带信号在单位时间内可以携带更多的能量，且整流效率更高；
(5)本发明的系统可以进行窄带设计，大大降低了相关器件(天线、功率放大器等)的带宽要求，使得器件设计更加简单；
(6)本发明的系统中只要确定信号的幅度与相位即可还原出该信号，无需高速的模数转换器采集信号在每一时刻的值，大大降低了TR操作的实现难度。
附图说明
图1为本发明实例的系统结构示意图；
图2为本发明实例中受能天线与“TR天线阵”的相对位置；
图3为本发明所述受能装置的结构框图；
图4为本发明所述输能装置的结构框图；
图5为本发明实例中收发天线无线链路的仿真结构图；
图6为本发明实例的无线信道探测过程中，受能天线所发送探测信号的波形图；
图7为本发明实例的无线信道探测过程中，各天线端口信号的仿真结果；
图8为本发明实例的无线输能过程中，各天线端口信号的仿真结果；
图9为本发明实例的无线输能过程中，受能天线接收到的信号波形；
图10为本发明实例的无线输能过程中，“TR天线阵”发出的电磁能量在受能天线处聚焦的仿真结果图，图中图形的高度表示电场能量密度。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例，详细描述本发明的技术方案，以便更清楚地了解本发明的特征和优点。
本发明提供一种基于聚焦波的微波窄带无线输能方法及装置，其装置的系统结构示意图如图1所示。本实例的系统中包括1个受能天线和16个TR天线。受能天线和全部TR天线均采用中心频率2.45GHz、带宽500MHz的贴片单极子天线，且分别与一些其他器件构成了受能装置和输能装置。16个TR天线以12cm的间距等距地围成一个边长为48cm的正方形，构成“TR天线阵”。在实际应用中，受能天线可设定在混响腔中的任意空间位置。在本实例中，受能天线与“TR天线阵”处于同一平面，均放置于一个60cm×60cm×15cm的密闭的金属混响腔内，二者相对位置如图2所示。
受能装置的结构框图如图3所示，具体包括：受能天线，用于发射试探信号以及接收来自TR天线的电磁能量；试探信号源，用于产生中心频率f0＝2.45GHz，带宽为100MHz的窄带试探信号；整流电路，用于将受能天线接收到的高频电流转换成直流，并提供给负载；开关S，用于切换受能天线与试探信号源或整流电路之间的连接。
输能装置的结构框图如图4所示，具体包括：TR天线1～16，用于接收来自受能天线的试探信号以及发射TR信号；带通滤波器1～16，用于滤除频率不为2.45GHz的杂波；包络检波器1～16，用于检测TR天线接收到窄带信号的幅度信息；鉴相器1～16，用于检测TR天线接收到窄带信号的相位信息；微波功率源，用于产生中心频率f0＝2.45GHz，带宽为100MHz的窄带功率信号；等功率分配器，用于将微波功率源产生的功率信号等功率地分为16路，每一路信号的幅度与相位均相同；功率放大器，用于放大窄带信号的幅度；延迟线1～16，用于改变窄带信号的相位；开关S1～S16，用于切换带通滤波器与包络检波器、鉴相器或延迟线的连接；TR处理器，用于处理来自包络检波器和鉴相器的信息，进行TR计算并据此改变功率放大器1～16的放大倍数A1～A16以及延迟线1～16的延迟时间t1～t16。
步骤一：发射窄带的试探信号，进行无线信道探测。切换受能装置的开关S使得受能天线与试探信号源相连，试探信号源产生中心频率f0＝2.45GHz的窄带试探信号，其相量该信号通过受能天线全向地发射出去。此时，受能天线处于发射状态，16个TR天线均处于接收状态。
步骤二：检测并记录16个TR天线接收信号的幅度与相位。切换输能装置的开关S1～S16使得带通滤波器与包络检波器相连，通过包络检波器检测到接收信号的幅度，并将其送至TR处理器中，幅度检测完毕后，再次切换开关S1～S16使得带通滤波器与鉴相器相连，通过鉴相器检测到接收信号的相位，同样将其送至TR处理器中。假设包络检波器j(1≤j≤16)检测到的幅度为鉴相器j检测到的相位为则第j个TR天线接收到的信号相量为当16个TR天线接收信号的幅度与相位全部被记录在TR处理器后，无线信道探测完毕。
步骤三：由TR处理器控制产生TR信号，并将其导入TR天线，进行无线输能。切换输能装置的开关S1～S16，使得带通滤波器与延迟线相连，微波功率源产生中心频率f0＝2.45GHz的窄带功率信号，经过等功率分配器分为16路，每一路信号的幅度均为As，相位均为φs。窄带信号的幅度与相位可以通过放大和延迟改变，通过TR处理器控制功率放大器1～16的放大倍数A1～A16满足的关系，并控制延迟线的延迟时间t1～t16使得(和为步骤二中TR天线j接收信号的幅度与相位)。等功率分配器输出的同幅同相窄带信号经过功率放大器和延迟线后转换为相应的TR信号(TR天线j对应的TR信号为该信号作为输能信号被TR天线发射出去。此时，16个TR天线均处于发射状态，受能天线处于接收状态。
步骤四：无线能量的接收。由于时间反演的环境自适应性以及空-时聚焦特性，TR天线发出的电磁能量将聚焦于受能天线处，切换受能装置的开关S，使得受能天线与整流电路相连，受能天线接收到高频信号z，该高频信号经过整流电路后，转换为直流并为负载供电。
当环境改变或受能天线位置发生变化时，跳转步骤一，再次发射试探信号，重新进行无线信道探测，即可使得电磁能量仍在受能天线处聚焦。
假设无线信道探测过程中受能天线到TR天线j的信道冲击响应为其中αj为信道的幅度衰减因子，φj为信道的相移因子，则步骤二中TR天线j的接收信号为其中为步骤一中受能天线发射的试探信号。根据互易性定理，无线输能过程中TR天线j到受能天线的信道冲击响应仍为则步骤四中受能天线接收到的高频信号为其中，为步骤三中TR天线j发射的TR信号，Aj为功率放大器j的放大倍数，As和φs为等功率分配器输出的16路信号的幅度与相位。
若将幅度为1的窄带信号的功率归一化至1，则步骤一中受能天线发射试探信号的功率为步骤二中16个TR天线接收信号的总功率为步骤三中16个TR天线发射信号的总功率为步骤四中受能天线接收信号的功率为无线信道探测过程中，受能天线发射试探信号的能量被TR天线截获的比例为无线输能过程中，收发天线无线链路的能量传输效率为由于A1～A16满足的关系，且所以η的表达式可化简为
从η和ε的表达式可以看出，η＝ε，即无线输能过程中收发天线无线链路的能量传输效率等于无线信道探测过程中受能天线发射试探信号被TR天线截获的能量比例。经过对如图5所示的仿真结构进行数值仿真验证，证实η＝ε的关系成立，具体数据如图7和图8中的表格所示，能量截获比例ε和能量传输效率η均约为87％。由于在实际应用中，输能器件中的微波功率源所产生信号的功率应远大于受能器件中试探信号源所产生试探信号的功率，因此无线信道探测过程中的能量损耗可以忽略，η即为本发明在实际应用中发射天线到接收天线的链路能量传输效率。根据η＝ε的关系，通过提高ε即可有效地提高η，而提高ε的方式很多，例如增加TR天线的数量，添加散射体等等。在本发明实例中，将受能天线与TR天线置于同一金属混响腔内，受能天线发射的电磁波会在金属混响腔内多次反射，TR天线不仅能够接收到直接来自受能天线的信号，还能够接收来自其他方向的反射信号，等效地增大了TR天线的接收面积，进而提高了ε和η。仿真结果显示，本实例中电磁能量在接收天线处产生了明显的聚焦(图10)，收发天线无线链路的能量传输效率η达到87％。
在本实例中，16个TR天线共享同一微波源，但在实际应用中不限于此种方式，不同的TR天线也可以分别与不同的微波源相连，只需使得馈入TR天线的信号是探测过程中TR天线接收信号的时间反演即可。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于聚焦波的微波窄带无线输能方法，包括以下步骤：
步骤一：使用中心频率为f0的窄带试探信号激励受能天线；
步骤二：将设置于受能天线周围的N个TR天线置于接收状态，接收试探信号，并记录所有TR天线接收信号的幅度与相位；
步骤三：对步骤二中各个TR天线接收的信号进行时间反演放大操作，得到N个TR信号；然后将受能天线置于接收状态，分别使用N个TR信号激励对应的TR天线，电磁能量以点聚焦的无线输能形式送至受能天线处；
步骤四：位于点聚焦处的受能天线将空间电磁波转换为高频电流，最后通过整流电路得到直流的输出，为负载供电。
2.如权利要求1所述的一种基于聚焦波的微波窄带无线输能方法，其特征在于：所述窄带信号的带宽小于其中心频率的10％。
3.如权利要求1所述的一种基于聚焦波的微波窄带无线输能方法，其特征在于：所述受能天线及TR天线设置于同一金属混响腔内。
4.如权利要求1所述的一种基于聚焦波的微波窄带无线输能方法，其特征在于：所述的无线输能方式中，电磁能量以点聚焦的形式汇聚于受能天线所在位置。
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