CN106856346B

CN106856346B - 一种室内无线输能系统以及无线输能方法

Info

Publication number: CN106856346B
Application number: CN201710058090.3A
Authority: CN
Inventors: 胡斌杰; 李冰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2017-01-23
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2037-01-23
Also published as: CN106856346A

Abstract

本发明公开了一种室内无线输能系统以及无线输能方法；该输能系统包括功率接收端和功率发射端；功率发射端由功率发射阵、信号分析电路、信号处理模块、可变功率放大器和功率监测模块组成；接收模式的功率发射阵与信息分析电路、信号处理模块、可变功率放大器和功率监测模块依次连接；发射模式的功率发射阵与可变功率放大器连接；功率接收端由多个待充电设备组成；每一个待充电设备均由能量接收天线和整流电路组成。本发明解决了传统方法中利用电磁波传播进行无线输能只适用于规则排布单元结构相同的天线组成功率发射阵、单频操作、多目标波束优化时间长、对无需充电设备产生严重干扰、难以保障输能空间中人类、动植物和无需充电的设备的安全问题。

Description

一种室内无线输能系统以及无线输能方法

技术领域

本发明涉及无线输能，特别是涉及利用电磁波传播进行无线输能的系统，具体涉及一种利用时间反演技术、整流电路、天线及天线阵的室内无线输能系统以及无线输能方法。

背景技术

由于无线通信的出现，生活变得越来越便利和高效。人们也逐渐意识到不使用电缆来对大量的静止/移动的便携式设备供电才会使这些电子设备变得真正的“便携”。无线输能(WPT)就是这种不需要电缆的供电方式。与无线通信不同，WPT传输的是能量而不是数据。待充电的电子设备，比如手机、平板电脑等，可以通过整流电路或整流天线将来自功率发射阵的电磁能量转化为直流能量以便直接使用或储存到自身的可充电电池中。

WPT的应用具有非常重要的意义。比如，人类及动物就不需要忍受由于对植入体内的心脏起搏器进行输能所带来的不必要的痛苦，电子设备变得轻巧及价格低廉，对于危险环境的供能不再成为问题等。总之，从WPT的应用前景可以发现，WPT必将成为未来的主要供电方式。

目前，WPT一般采用电磁感应、电磁共振和电磁波传播。其中，利用电磁感应进行WPT的传输距离近，一般为几毫米到几厘米，并且随着初次级线圈的距离增加，传输效率急剧下降；利用电磁感应进行WPT会在整个辐射区产生高强度的电磁能量，对输能空间中的人类、动植物或其他电子设备产生威胁；利用电磁波传播进行WPT的传输距离远，影响该种方法的功率传输效率的主要因素有两个，一个是由整流电路或整流天线引起的射频到直流的转换效率，改善整流效率的技术在许多专利和文献中都有研究，这些研究为WPT提供了理论基础；另一个是电磁波的传输效率，电磁能量会随着传输距离的增加而减小，而电磁波在空间中传播的衰减是无法避免的，但可以通过控制电磁波能量波束向待充电设备处聚焦来改善电磁波的传输效率，使待充电设备获得更多的电磁能量。因此，研究电磁波的聚焦技术及新型的整流技术成为了WPT要攻克的技术难题。

目前，国内在利用电磁波传播进行WPT方面还相对薄弱。在国外已经发表了一些关于在特定环境中利用电磁波传播进行WPT的研究，比如在室内、办公室、停车场及仓库等环境下的WPT。这些应用一般都是采用逆反射技术和相控阵波束成形技术来实现电磁波波束向待充电设备处聚焦。但这两种技术在实现和操作方面都有很多不足。其中，逆反射技术是在单频上实现连续波，采用该项技术的不足可以分为以下几点：1)波束聚焦位置会发生偏移，2)对其他未发送充电请求信号的设备产生干扰，3)会产生大量的能量浪费，4)单频操作的设备比较昂贵和繁重。

虽然，相控阵波束成形技术可以实现宽频的波束聚焦，但该技术实质上是在单频上对波束建立多目标优化函数，这就增加了整个系统在整个频带的计算复杂度和成本，而且当功率发射阵与待充电设备之间存在障碍物以及待充电设备处于移动状态时，相控阵波束成形法不能有效地进行WPT，此种情况产生的高频电磁波会对输能空间中的人类、动植物及其他无需充电的设备造成伤害。除此之外，相控阵作为功率发射阵的成本高、重量重、尺寸大、对天线单元结构及排布要求高。因此，改善上述WPT技术的不足成为了亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决在室内环境中无法同时为多个静止/移动的电子电气设备无线输能、对无需充电的设备产生干扰以及对输能空间中的人类、动植物和无需充电的设备产生安全威胁的问题，提出的一种传输效率高、干扰小以及安全性高的无线输能系统以及无线输能方法。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种室内无线输能系统：包括功率接收端和功率发射端；功率发射端由功率发射阵、信号分析电路、信号处理模块、可变功率放大器和功率监测模块组成；其中信号分析电器电路、信号处理模块、可变功率放大24和功率监测模块组成数据处理站；接收模式的功率发射阵与信息分析电路、信号处理模块、可变功率放大器和功率监测模块依次连接；发射模式的功率发射阵与可变功率放大器连接；功率发射阵用于接收来自待充电设备的充电请求/终止信号及充电状态信息和发射电磁功率；数据处理站用于分析和处理功率发射阵的接收信号及获得功率发射阵的激励；

功率接收端由多个待充电设备组成；每一个待充电设备均由能量接收天线和整流电路组成，能量接收天线用于接收来自功率发射阵和中继单元的电磁功率；整流电路用于将射频能量转换成直流能量。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述室内无线输能系统还包括中继单元，中继单元与输入电源连接；中继单元包括功率发射阵和可变功率放大器；或者中继单元由功率发射阵和数据处理站组成；中继单元接收来自功率发射阵中没有聚焦到待充电设备处的电磁波和空间中被浪费的电磁波，经过可变功率放大器将发射功率放大到所需要的功率水平后，再发射到原输能空间中为待充电设备，进行无线输能。

优选地，所述整流电路由低通滤波器、匹配电路、整流二极管及直通滤波器依次连接组成。整流电路有多个实现方式，满足本发明功能需求即可；低通滤波器、匹配电路、整流二极管及直通滤波器为本领域通用部件。

优选地，所述功率发射阵集成或组装在天花板、墙体、家具或地板上。

优选地，所述功率发射阵由任意结构任意排布的全向天线单元组成，天线单元包括矩形贴片天线、圆形贴片天线或螺旋天线。

一种室内无线输能方法：当待充电设备需要供能或检测到电池电量不足时，待充电设备发送充电请求信号；当待充电设备不需要供能或检测到电池已充满时，待充电设备发送相应的充电终止信号；当待充电设备处于输能过程中，待充电设备周期地发送充电状态信息；在待充电设备发送充电请求信号的同时，待充电设备的能量接收系统启动；在待充电设备发送充电终止信号的同时，待充电设备的能量接收系统关闭；由功率发射阵接收并记录来自待充电设备的信号，并经过数据处理站的信号分析电路判断所接收到的信号是充电请求信号、充电终止信号还是充电状态信息。如果判断接收到的信号为充电请求信号，那么由数据处理站中的信号处理模块得到该接收信号的幅值和相位，通过一次时间反演、傅立叶变换、加权和功率放大操作得到功率发射阵的宽频激励信号；

所述通过一次时间反演、傅立叶变换、加权和功率放大操作得到功率发射阵的宽频激励信号由如下方式实现：

设输能空间中有M个待充电设备，分别位于

m＝1,2,L,M，θ_m为观测仰角，

为观测的水平方位角，M个待充电设备分别发送充电请求信号p(t)，由具有N个天线单元的功率发射阵接收该信号，并对该信号进行时间反演和傅立叶变换操作，得到的频域时间反演信号为：

其中，“*”表示取共轭操作，P(ω)为发送充电请求信号p(t)的频域表达式，H_mn(ω)表示第m个待充电设备与第n个天线单元之间的信道信息，

表示第n个天线单元的辐射类型；

对频域时间反演信号Y_TR(ω)进行加权，得到功率发射阵的宽频激励信号为：

传输到第i个(i＝1,2,L,M)待充电设备处的信号为：

其中，

为权值，A_n(θ)为第n个天线对整个输能空间中由于观测仰角θ不同引起的电磁波衰减的补偿，H_in(ω)表示第i个待充电设备与第n个天线单元之间的信道信息。

优选地，针对单纯增加发射功率仍然无法满足所有待充电设备的功率需求的情况，需要启动中继单元，该中继单元用于接收来自功率发射阵中没有聚焦到待充电设备处的电磁波和空间中被浪费的电磁波，经过可变功率放大器将发射功率放大到所需要的功率水平后，再发射到原输能空间中为待充电设备无线输能，充分利用空间中的电磁波。

本发明由信号分析电路、信号处理模块、可变功率放大器和功率监测模块组成的数据处理站，用于分析判断接收信号、获取功率发射阵的激励、监测发射与接收功率，所述数据处理站一端与输入电源连接，另一端与功率发射阵连接。

本发明待充电设备的整流电路或整流天线模块，用于将接收到的射频能量转化为直流能量供待充电设备直接使用或储存在待充电设备的可充电电池中，所述整流电路模块包括低通滤波器、匹配电路、整流二极管和直通滤波器，其中低通滤波器的一端与能量接收天线连接，另一端与匹配电路连接，所述匹配电路通过整流二极管与直通滤波器连接，用于实现从低通滤波器到直通滤波器的电路匹配，从而达到改善整流效率的目的，所述直通滤波器的另一端与可充电电池连接或直接与待充电设备的能量输出端连接供待充电设备使用，所述整流天线就是将整流电路与能量接收天线集成为一个结构，从而减小待充电设备的功率接收单元的尺寸。

本发明利用对接收到的来自待充电设备的充电请求信号进行时间反演和傅立叶变换操作组合可以一次性得到功率发射阵的宽频激励信号。其中，时间反演技术是在时域上对信号的逆序操作或在频域上对信号进行相位共轭操作。由于时间反演技术的物理实质是实现信道的匹配滤波，因此，由功率发射阵回传频域的时间反演信号，功率波束会自动地向待充电设备处聚焦。解决了现有的逆反射技术在单频操作下会产生波束聚焦偏失、干扰其他未发送充电请求信号的设备和产生大量能量浪费的问题。与相控阵技术相比，也不需要在单频上建立波束的多目标优化函数，因此，本发明方法减小了系统在整个频带的计算复杂度和成本。另外，由于本发明方法可以在宽频带操作，因此，有效地避免了现有的逆反射技术和相控阵波束成形技术需要利用较昂贵和繁重的设备来满足单频操作的问题。

本发明与利用逆反射技术会导致波束聚焦位置发生偏移不同，利用时间反演技术会使电磁能量波束始终向发射充电请求的待充电设备处聚焦，但是，电磁波在传播过程中的损耗随着传输距离的增加而增大，这样就会导致入射到离功率发射阵较近的未发送充电请求的电子电气设备处的能量大于入射到离功率发射阵较远的待充电设备处的能量，造成了对离功率发射阵较近的未发送充电请求的电子电气设备干扰和能量的浪费，因此，本发明采用加权的时间反演技术来解决上述问题，对经过时间反演和傅立叶变换后的接收信号进行加权处理，权值为

其中，H_mn(ω)为第m个待充电设备与功率发射阵的第n个天线单元之间的信道，A_n(θ)为第n个天线对整个输能空间中由于观测仰角θ不同引起的电磁波衰减的补偿。将加权后的频域时间反演信号作为功率发射阵的激励，不仅会抑制来自其他方向上的多个充电请求信号对特定方向上的电磁波波束聚焦产生的干扰，还会使在整个宽频带内入射到待充电设备处的电磁能量均大于入射到空间中其他位置处的能量，减小了能量的浪费以及不会对空间中未发送充电请求信号的设备产生干扰。

本发明针对移动的待充电设备进行WPT的情况，现有的利用相控阵波束成形法首先需要得到移动设备的位置信息，然后针对该位置信息进行耗时的波束优化来实现电磁能量波束向待充电设备处聚焦，由于优化时间相对较长，缺乏对待充电设备WPT的实时性，因此，利用相控阵波束成形对移动状态的待充电设备不能进行有效地WPT。而利用本发明的方法，当输能环境确定时就可以确定电磁波在输能空间中的衰减特性，从而得到衰减补偿A(θ)的值。当待充电设备的充电请求信号已知时，可根据功率发射阵的接收信号得到待充电设备与相应的功率发射阵天线单元之间的信道信息即H(ω)的值。因此，针对移动的待充电设备，只要周期性或根据需求在特定的时间内发送充电请求信号，结合时间反演技术的时空聚焦特性，本发明的方法就可以使电磁能量波束向移动的待充电设备处聚焦，由于入射到待充电设备以外的其他位置处的能量较少，因此，本发明的方法并不会对空间中其他未发送充电请求的电子电气设备产生干扰，同时也减小了能量的浪费。

本发明针对功率发射阵与待充电设备之间存在障碍物(人类、动植物以及无需充电的电子电气设备)的情况，利用现有的相控阵波束成形会使聚焦波束被障碍物所遮挡，不但不利于对待充电设备的WPT，还会对障碍物造成危险。而本发明所述的功率发射阵的天线单元可以单独控制、组装和拆卸，这样当功率发射阵与待充电设备之间存在障碍物时，可以通过关闭被遮挡的天线单元来保障障碍物的安全。由于本发明的系统适用于任意排布任意结构的天线单元组成的功率发射阵，因此在减小局部天线单元的情况下，本发明的方法仍可以有效地为待充电设备进行WPT。

相对于现有技术，本发明专利的有益效果是：

1)摆脱了依赖电线进行输电的传统供能方式，避免了由于电线短路及摩擦等方面造成的危险；可以适用于电缆无法到达或者使用电缆比较昂贵的输能环境及应用中；

2)利用电磁波传播进行WPT，克服了利用电磁感应和电磁共振进行WPT的不足；

3)采用任意结构任意排布的全向天线单元组成功率发射阵，并且每一个天线单元都可以独立控制、组装和拆卸，有效地降低了对功率发射阵的技术要求及增加了该方法的普适性；

4)通过一次时间反演、傅立叶变换和加权操作就可以得到功率发射阵的宽频激励信号，其中，时间反演技术可以实现信道的匹配滤波，回传的频域时间反演电磁波在整个频带内都向发送充电请求信号的待充电设备方向聚焦，权值的引入不仅可以抑制来自其他方向上的多个充电请求信号对特定方向上的电磁波波束聚焦产生的干扰，还可以有效地抑制由于观测仰角不同而对距离功率发射阵较近的未发送充电请求信号的电子电气设备产生的干扰和能量的浪费，除此之外，本发明的方法不需要建立多目标的优化函数有效地降低了计算的复杂度；

5)可以为室内空间中多个静止/移动的待充电设备同时无线输能，不但减小了对无需充电的电子电气设备的干扰，还保障了在输能空间中人类、动植物以及无需充电的电子电气设备的安全。

附图说明

图1是本发明室内无线输能系统组成示意图。

图中示出：10表示功率接收端，11、12、……、1M分别表示第一个、第二个、……、第M个待充电设备，110表示第一个待充电设备的能量接收天线，111表示第一个待充电设备的低通滤波器，112表示第一个待充电设备的匹配电路，113表示第一个待充电设备的整流二极管，114表示第一个待充电设备的直通滤波器，20表示功率发射端，21表示功率发射阵，22表示信号分析电路，23表示信号处理模块，24表示可变功率放大器，25表示功率监测模块。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。

如图1所示，一种室内无线输能系统，包括功率接收端10和功率发射端20；功率发射端20由功率发射阵21、信号分析电路22、信号处理模块23、可变功率放大器24和功率监测模块25组成；其中信号分析电器电路22、信号处理模块23、可变功率放大器24和功率监测模块25组合称为数据处理站；接收模式的功率发射阵与信息分析电路22、信号处理模块23、可变功率放大器24和功率监测模块25依次连接；发射模式的功率发射阵与可变功率放大器24连接；功率发射阵21用于接收来自待充电设备的充电请求/终止信号及充电状态信息和发射电磁功率；数据处理站用于分析和处理功率发射阵的接收信号及获得功率发射阵的激励。

功率接收端10由M个待充电设备11、12、……、1M组成；每一个待充电设备均由能量接收天线110、低通滤波器111、匹配电路112、整流二极管113及直通滤波器114依次连接组成；每一个待充电设备集成为整流天线；能量接收天线110安置在待充电设备处，用于接收来自功率发射阵和中继单元的电磁功率。整流电路安置在待充电设备处用于将射频能量转换成直流能量，包括低通滤波器111、匹配电路112、整流二极管113和直通滤波器114。

室内无线输能系统还优选包括中继单元，中继单元用于最大程度地利用空间中被浪费的电磁波及为待充电设备供能；中继单元包括功率发射阵21和可变功率放大器24；或者中继单元由功率发射阵21和数据处理站组成(相当于功率发射端20)；中继单元接收来自功率发射阵中没有聚焦到待充电设备处的电磁波和空间中被浪费的电磁波，经过可变功率放大器24将发射功率放大到所需要的功率水平后，再发射到原输能空间中为待充电设备，进行无线输能，以求最大程度地利用空间中的电磁波。

本发明信号和能量主要有如下几种：1)功率发射阵接收来自待充电设备的充电请求/终止信号或充电状态信息；2)待充电设备接收来自功率发射阵的电磁能量；3)中继单元接收来自功率发射阵和空间中的电磁能量；4)待充电设备接收来自中继单元的电磁能量。

输能环境为一般的室内环境，功率发射阵21可以集成或组装到天花板、墙体、家具或地板上(需要加入防护措施)。该功率发射阵21由任意结构任意排布的全向天线单元组成，比如矩形贴片天线、圆形贴片天线、螺旋天线等等。出于美观及保护的目的，可用相对于电磁波无衰减的材料制作成天线阵罩。功率发射阵21的其中一个重要的功能是接收来自静止或移动的任意摆放的待充电设备(11、12、……、1M)的充电请求/终止信号和充电状态信息。数据处理站的一端连接到输入电源，用来保证数据处理站的正常工作，另一端连接到功率发射阵21，用来判断、处理接收信号及监测发射与接收功率。

当待充电设备需要供能或检测到电池电量不足时，待充电设备发送充电请求信号；当待充电设备不需要供能或检测到电池已充满时，待充电设备发送相应的充电终止信号；当待充电设备处于输能过程中，待充电设备周期地发送充电状态信息。其中，充电请求、终止信号及充电状态信息是由持续时间相同或不同的任意脉冲串组成。在待充电设备发送充电请求信号的同时，待充电设备的能量接收系统启动；在待充电设备发送充电终止信号的同时，待充电设备的能量接收系统关闭。由功率发射阵21接收并记录来自待充电设备的信号，并经过数据处理站的信号分析电路22判断所接收到的信号是充电请求信号、充电终止信号还是充电状态信息。如果判断接收到的信号为充电请求信号，那么由数据处理站中的信号处理模块23得到该接收信号的幅值和相位，通过一次时间反演、傅立叶变换、加权和功率放大操作得到功率发射阵的宽频激励信号；

由于时间反演技术实质上是空间匹配滤波器，回传时间反演后的电磁波会自动聚焦到待充电设备处102，并不对输能空间中无需充电的待充电设备产生干扰。

针对本发明中室内无线输能的操作过程，给出相应的理论分析如下：

设输能空间中有M个待充电设备(11、12、……、1M)分别位于

m＝1,2,L,M，θ_m为观测仰角，

为观测的水平方位角，M个待充电设备分别发送充电请求信号p(t)，由具有N个天线单元的功率发射阵21接收该信号，并对该信号进行时间反演和傅立叶变换操作，得到的频域时间反演信号为：

表示第n个天线单元的辐射类型。

那么传输到第i个(i＝1,2,L,M)待充电设备处(位于

)的信号为

其中，

在空间中位于待充电设备以外的其他位置(θ_x≠θ_m或

)处接收到的信号为：

其中，H_xn(ω)表示空间中位于

的位置与第n个天线单元之间的信道信息。

可见，本发明中所提出的利用时间反演技术进行WPT，电磁波波束会向发送相应充电请求信号的待充电设备方向实现辐射方向图的自动匹配如公式(3)中有用的聚焦信号中的

所示，对于来自其他设备发送的充电请求信号并不会引起在该待充电设备方向的辐射方向图的自动匹配，从而造成干扰如公式(3)中干扰项中的

所示，对于全向辐射类型的天线单元组成功率发射阵的情况，恒有

因此，本发明的方法在整个频带内天线的辐射类型都由

决定，即在天线辐射方向方面恒有天线在发送相应充电请求信号的待充电设备方向的辐射大于朝向空间中其他位置方向的辐射。但是，由于待充电设备在空间中的位置不同、信道衰减就会不同，很难保证有用的聚焦信号恒大于干扰项，因此，干扰项的存在仍然会对电磁波波束聚焦的方向产生干扰，即在整个频带内很难保证入射到待充电设备处的功率大于入射到空间中其他位置处的功率。为了解决这一问题，本发明采用了加权的方式，从公式(3)可以发现，

因此，有用的聚焦信号恒大于干扰项，即在整个频带内，电磁能量波束都由有用聚焦信号控制并在待充电设备处聚焦，而来自其他待充电设备的充电请求信号不会影响电磁波波束聚焦的方向。

权值的引入使得|H_xn(ω)A_n(θ_x)|≈|H_in(ω)A_n(θ_i)|，对比公式(3)和(4)可以发现，有用的聚焦信号恒大于到达待充电设备以外的其他位置处的信号，即在整个频带内，到达待充电设备以外的其他位置处的信号都要小于到达待充电设备处的信号，当选用适当数目的天线单元构成功率发射阵时，可以有效地减小对处于非待充电设备位置处的无需充电的设备的干扰。因此，本发明的方法适用于为多个静止或移动的待充电设备同时WPT，并且利用本发明的方法进行WPT不但减小了对无需充电的设备的干扰，还避免了建立多目标优化函数，减小了计算成本和复杂度。

为了使功率发射阵有足够的功率为待充电设备输能，由数据处理站的可变功率放大器24根据不同的需求将时间反演后的加权信号放大到相应的功率水平。进一步地，为了保障输能空间中人类、动植物及无需充电的设备的安全，由数据处理站的功率监测模块25监测功率发射阵发射和接收的功率，当接收到的功率超过某一个限定值，或者接收功率与发射功率的比值超过了某一个限定值，说明功率发射阵与待充电设备之间有障碍物，该障碍物可能是人类、动植物或无需充电的设备等，这时就要保障障碍物的安全，警报启动并终止被遮挡的功率发射天线单元的WPT操作，直到功率发射阵接收到的功率低于该限定值，或者接收功率与发射功率的比值低于该限定值。值得一提的是，本实施例中的功率发射阵的所有天线单元都可以单独地组装、拆卸、控制及操作。

进一步地，当待充电设备接收到的功率低于某一个限定值时，说明功率发射阵与待充电设备之间有障碍物，此时启动警报并终止对该待充电设备的WPT操作，直到待充电设备接收到的功率高于该限定值。由于空间尺寸及应用场景的限制，针对单纯增加发射功率仍然无法满足所有待充电设备的功率需求的情况，需要启动中继单元，该中继单元用于接收来自功率发射阵中没有聚焦到待充电设备处的电磁波和空间中被浪费的电磁波，经过可变功率放大器将发射功率放大到所需要的功率水平后，再发射到原输能空间中为待充电设备无线输能，以求最大程度地利用空间中的电磁波。中继单元可以由功率发射阵和数据处理站来替换，从而达到进一步地缩短充电时间，增加充电距离的目的。但是，从上面的分析可以发现，功率发射阵和数据处理站的复杂度要远高于中继单元，因此根据不同的需求，结合成本、充电时间、充电距离及应用场景可选取不同的无线输能系统。

待充电设备的功率接收单元可以集成、贴附或插入到待充电设备上。待充电设备的能量接收天线110接收电磁能量并将能量转化成高频电流传送到整流电路，整流电路的低通滤波器111使工作频段内的能量通过，并抑制整流过程中产生的二次或更高次谐波再次通过能量接收天线110辐射到输能空间中，利用匹配电路112实现阻抗匹配达到整流效率最大化，并连接整流二极管113，再连接直通滤波器114，用于只让直流通过，抑制基波和谐波通过。直流供待充电设备直接使用或储存到可充电电池中。如果判断接收到的信号为充电终止信号，那么由数据处理站中的信号处理模块23得到该接收信号的幅值和相位，并终止对该幅值和相位进行后续操作，从而终止了对相应的待充电设备的WPT。如果判断接收到的信号为充电状态信息，那么根据充电的状态来判断是否需要打开中继单元，并通过周期地发送充电状态信息实现打开多个中继单元直到满足充电需求为止。可见本发明可以很好地实现在为多个静止/移动的电子电气设备WPT的同时，还保障了输能空间中的人类、动植物及无需充电的设备的安全和减小了对无需充电的设备的干扰。

本发明中的无线输能系统可根据应用需求由一个或多个功率发射阵、数据处理站和中继单元以不同方式组合来构成。

本发明利用了时间反演技术和傅立叶变换一次性获得了功率发射阵的宽频激励信号，避免了建立多目标的优化函数，减小了计算成本和复杂度；利用时间反演技术获得的激励信号可以在发送充电请求的待充电设备方向实现辐射方向的自动匹配，降低了对功率发射阵的设计要求，使得本发明方法适用于任意排布、任意结构的全向天线组成功率发射阵的情况；利用加权抑制了来自其他非该方向上的多个充电请求信号对在整个频带内波束在该方向上聚焦的影响以及由于信道衰减不同引起的干扰，保证了在整个频带内入射到待充电设备处的功率大于入射到空间中其他位置处的功率，使得该方法适用于为多个静止/移动的待充电设备WPT，并减小了对其他无需充电设备的干扰和能量的浪费；通过对功率的监测和设备的控制，有效保证了输能空间中人类、动植物及无需充电设备的安全。

实施方式是为了帮助解本发明的原理，本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.应用无线输能系统的室内无线输能方法，其特征在于：当待充电设备需要供能或检测到电池电量不足时，待充电设备发送充电请求信号；当待充电设备不需要供能或检测到电池已充满时，待充电设备发送相应的充电终止信号；当待充电设备处于输能过程中，待充电设备周期地发送充电状态信息；在待充电设备发送充电请求信号的同时，待充电设备的能量接收系统启动；在待充电设备发送充电终止信号的同时，待充电设备的能量接收系统关闭；由功率发射阵接收并记录来自待充电设备的信号，并经过数据处理站的信号分析电路判断所接收到的信号是充电请求信号、充电终止信号还是充电状态信息；如果判断接收到的信号为充电请求信号，那么由数据处理站中的信号处理模块得到该接收信号的幅值和相位，通过一次时间反演、傅立叶变换、加权和功率放大操作得到功率发射阵的宽频激励信号；

设输能空间中有M个待充电设备，分别位于

m＝1,2,…,M，θ_m为观测仰角，

表示第n个天线单元的辐射类型；

传输到第i个待充电设备处的信号为：

其中，i＝1,2,…,M；

为权值，A_n(θ)为第n个天线对整个输能空间中由于观测仰角θ不同引起的电磁波衰减的补偿，H_in(ω)表示第i个待充电设备与第n个天线单元之间的信道信息；

所述的无线输能系统包括功率接收端和功率发射端；功率发射端由功率发射阵、信号分析电路、信号处理模块、可变功率放大器和功率监测模块组成；其中信号分析电路、信号处理模块、可变功率放大和功率监测模块组成数据处理站；接收模式的功率发射阵与信息分析电路、信号处理模块、可变功率放大器和功率监测模块依次连接；发射模式的功率发射阵与可变功率放大器连接；功率发射阵用于接收来自待充电设备的充电请求/终止信号及充电状态信息和发射电磁功率；数据处理站用于分析和处理功率发射阵的接收信号及获得功率发射阵的激励；

2.根据权利要求1所述的室内无线输能方法，其特征在于：针对单纯增加发射功率仍然无法满足所有待充电设备的功率需求的情况，需要启动中继单元，该中继单元用于接收来自功率发射阵中没有聚焦到待充电设备处的电磁波和空间中被浪费的电磁波，经过可变功率放大器将发射功率放大到所需要的功率水平后，再发射到原输能空间中为待充电设备无线输能，充分利用空间中的电磁波。

3.根据权利要求1所述的室内无线输能方法，其特征在于：所述室内无线输能系统还包括中继单元，中继单元与输入电源连接；中继单元包括功率发射阵和可变功率放大器；或者中继单元由功率发射阵和数据处理站组成；中继单元接收来自功率发射阵中没有聚焦到待充电设备处的电磁波和空间中被浪费的电磁波，经过可变功率放大器将发射功率放大到所需要的功率水平后，再发射到原输能空间中为待充电设备，进行无线输能。

4.根据权利要求1所述的室内无线输能方法，其特征在于：所述整流电路由低通滤波器、匹配电路、整流二极管及直通滤波器依次连接组成。

5.根据权利要求1所述的室内无线输能方法，其特征在于：所述功率发射阵集成或组装在天花板、墙体、家具或地板上。

6.根据权利要求1或5所述的室内无线输能方法，其特征在于：所述功率发射阵由任意结构任意排布的全向天线单元组成，天线单元包括矩形贴片天线、圆形贴片天线或螺旋天线。