CN106992813A - 一种低成本的自适应无线信息与能量复用传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低成本的自适应无线信息与能量复用传输系统，该系统分为两大部分：发射子系统与接收子系统，所述发射子系统发射同时具备能量和信号的复合信号，通过自由空间传输至接收子系统；所述接收子系统把复合信号分离到通信链路和能量链路分别加以利用，实现信息与能量复用的功能；其中能量链路的能量能够供给后级负载使用，也能够供给接收子系统的通信链路使用；同时，接收子系统通过能量管理、监测与反馈，把接收子系统的实时工作性能反馈给发射子系统，发射子系统根据反馈信号调整发射性能，从而实现自校正功能，维持整个系统性能的最优。
Description
技术领域
本发明涉及无线能量传输与收集技术领域，更具体地，涉及一种基于微波射频频段的具备自动校正功能的低成本的自适应无线信息与能量复用传输系统。
背景技术
无线能量传输与收集技术是(Wireless Power Transmission and harvesting,WPT)能量通过激光、超声波、微波、磁共振等方式从发射端通过自由空间传输到接收端的技术。相比有线能量传输，无线能量传输在空间灵活性、架设方便性等方面有巨大的优势。在一些特殊的应用场景，例如跨岛传输、物联网节点供电、人体内微电子设备充供电、运动检测传感器充电等，无线能量传输有无可替代的优势。
在多种无线能量传输技术中，基于微波辐射的能量传输因传输距离灵活性最大(几十厘米到几千米)，架设灵活性最高(一对一、一对多、多对多、多对一)，位置灵活性也最高(在微波传输范围内)而被研究者广泛关注。微波能量传输最早的实验源于Nikola Tesla的无线功率传输实验，把几十万瓦能量从一个海岛传输到另一个海岛，证明了微波能量传输的可行性。近年来，微波能量传输在空间输电，太阳能能量传输等大功率应用场景有较大的发展。
在低功率应用场景，微波能量传输作为一种改善物联网传感器节点能量获取情况的革命性技术，正在逐渐被全球科研界关注。由于微波能量接收系统的核心器件性能限制，正常的密度因能级太低无法被有效获取，因此需要确定的可供电能量源。这个能量源通常需要专门的设计，增加了设计和制作成本，独立传输的能量信号也会对现有的通信系统造成干扰，导致通信系统无法运行。如果能将信息与能量复合传输，将最大程度地利用现有通信系统的模块，大大减小成本，同时符合信号兼容了通信信号，不会对现代通信传输造成干扰，从而使商用微波能量传输成为可能。
另一方面，目前现有的能量信号发射源通常体积较大且位置与信号传输方向固定，在移动终端充电的应用场合，由于接收系统在空间位置的移动，通常导致能量无法被有效接收从而降低效率，造成能量浪费，发射和接收系统也没有有效的保护措施，在位置过近时会因接收能量过大而导致系统损坏。因此，在实际应用过程中设计具有自适应追踪功能的系统非常必要。
另外在接收系统中，由于遮挡物的出现、发射能量的变化、位置而方向的改变等，会使接收功率变小，而传统的接收系统因为核心器件--整流二极管的工作特性，其输入功率对性能影响较大，导致效率下降；当功率过大时，会导致系统烧坏。因此，有必要研发一种新型微波能量传输与收集系统，克服上述技术难点。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种低成本，易安装的自适应无线信息与能量复用传输系统，该系统能在最大程度与现有通信系统兼容的前提下，实现智能化、高效率的通信与传能复用的微波射频传输系统来实现低成本、易安装、高兼容性、高效率、智能化的无线能量传输与收集。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种低成本的自适应无线信息与能量复用传输系统，该系统分为两大部分：发射子系统与接收子系统，所述发射子系统发射同时具备能量和信号的复合信号，通过自由空间传输至接收子系统；
所述接收子系统把复合信号分离到通信链路和能量链路分别加以利用，实现信息与能量复用的功能；其中能量链路的能量能够供给后级负载使用，也能够供给接收子系统的通信链路使用；同时，接收子系统通过能量管理、监测与反馈，把接收子系统的实时工作性能反馈给发射子系统，发射子系统根据反馈信号调整发射系能，从而实现自校正功能，维持整个系统性能的最优化。
其中所述发射子系统包括：基站/移动终端、数据信号处理器、可变增益放大器、模拟滤波器、大信号载波生成器、调制器、射频滤波器、可变增益射频功率放大器、射频功率分配器阵列、射频移相器阵列、发射天线阵、射频控制模块、低速链路接收器和反馈接收天线；
其中，基站/移动终端提供原始的通信基带传输信号，依次经过数据信号处理器，可变增益放大器和模拟滤波器进行处理，处理后的信号具备能够被调制的特性，再通过调制器把大信号载波生成器生成射频载波与模拟滤波器输出的基带调制信号进行调制，继而输出基础的射频通信信号；为了具备与现代通信系统与信号兼容的特性，基站信号接收器、数字信号处理器、可变增益放大器、模拟滤波器、调制器均采用已经成熟应用的通信技术，并可采用SOC或PCB形式进行电气连接，其具体的功能在此不再赘述。其中，大信号载波发生器包括射频振荡器和前置放大器，为基带信号提供比现有通信系统更大能级的载波能量信号并参与调制，而调制器的调制模式不对接收系统的接收特性与性能造成限制，可根据不同的应用场景采用不同的调制方式。基础的射频通信信号依次输入到射频滤波器和可变增益射频功率放大器进行进一步处理，把基础的射频通信信号转变为能量复合信号；射频滤波器用于滤除在调制过程中产生的高次谐波，提高通信系统的信噪比，可变增益射频功率放大器对调制并滤波后的调制信号进行可调增益的射频功率放大，使其具备能量复用信号的能级；射频放大能量主要由低纹波电源提供。同时，电源具备低纹波特性，从而减小对信号带来的干扰。
从可变增益射频功率放大器输出的能量复合信号依次通过射频功率分配器阵列、射频移相器阵列和发射天线阵，高效并且集中地往自由空间的某个确定的方向传输；射频功率分配器阵列提供等分的功率分配，使其进入射频移相器阵列的不同通道，不同通道的能量分别由发射天线阵辐射出去，从而形成高主瓣，低副瓣的能量波束，在空间内有效传输；
发射子系统在进行能量复合信号发射的同时，也通过另外一条通信链路接收接收子系统传来的性能反馈信号，并根据反馈信号自适应地调整发射性能，从而实现自校正功能；
反馈接收天线接收到接收子系统传来的信号，传导到低速链路接收器处理，然后传输到射频控制模块；射频控制模块根据反馈数据产生第一控制逻辑调节射频移相器阵列的相位，从而调节波束的主瓣方向；同时根据接收电压信号调节可变增益射频功率放大器，从而调整发射功率大小。
所述接收子系统包括：接收天线阵、能量分离器、谐波抑制滤波器、通信接收机、射频整流器、直通滤波器、能量管理器、能量管理反馈控制器、低速链路发射器、反馈发射天线和负载；接收天线阵接收传输或者空间的复合能量信号和较强的通信信号，并通过能量分离器从复合能量信号中分离出通信信号和能量信号，通信信号进入通信链路，由通信接收机进行处理，能量信号进入能量链路，依次由谐波抑制滤波器、射频整流器和直通滤波器处理，将其从射频能量转化为直流能量，并由能量管理器进行高效管理；管理后的直流能量能够储存起来，或者供给通信接收机、能量管理反馈控制器、低速链路发射器和负载使用；
在通信链路中，通信接收机处理通信的信号，包括检波，小功率前置放大，解调等模块。同发射机的一样，这些模块均采用已经成熟应用的通信技术，并可采用SOC或PCB形式进行电气连接，其具体的特性在此不再赘述；
能量分离器分离出通信信号和能量信号，大部分能量进入能量链路，依次由谐波抑制滤波器、射频整流器进行射频-直流转换，谐波抑制滤波器的作用是抑制整流器工作时因为核心器件—二极管的非线性特性产生的高次谐波，使谐波能量反弹到整流器做二次整流，直流能量通过直通滤波器，输入到能量管理器，直通滤波器阻止任何工作频率以外的谐波能量进入后级，同时配合谐波抑制滤波器把整流器产生的高次谐波封锁在整流器前后级之间，谐波能量在前后级之间返回被整流，从而提高系统能量利用率；能量管理器接收到直流能量，将能量通过直流转换手段进行动态稳定，使其输出到后级直流负载和通信接收机以供给接收机工作；
同时，能量管理器采集信号同时收集信号电平，判断接收子系统是否处于最优工作状态，并依此调整能量管理性能，以及把性能数据发送到低速链路发射器，并由反馈发射天线传导到自由空间，被发射子系统接收，完成自校正功能的反馈链路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）发射子系统最大程度兼容现代通信系统，从而减小成本；
（2）发射波束方向与强度根据接收的效率和电压智能改变与开关，在工作中最大程度优化效率；
（3）接收子系统最大程度兼容现代通信系统的模块，从而减小成本；
（4）接收子系统同时接收能量与通信信号，并分别高效利用；
（5）接收子系统采用高效的能量自动管理系统，以超低功耗管理接收的能量并反馈信息。
（6）整体系统重量轻，体积小，易于集成，成本较低。
附图说明
图1是低成本易安装的自校正无线通信与传能复用系统的系统模块框图。
图2是自校正的工作模式拓扑图。
图3是通信与传能复用的系统拓扑图。
图4是自校正复用系统的工作流程简图。
图5是一种一发射多接收的自校正复用系统实现形式的展示图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
图1中，1-基站/移动终端、2-数据信号处理器、3-可变增益放大器、4-模拟滤波器、5-大信号载波生成器、6-调制器、7-射频滤波器、8-可变增益射频功率放大器、9-射频功率分配器阵列、10-射频移相器阵列、11-发射天线阵、12-射频控制模块、13-接收天线阵、14-能量分离器、15-谐波抑制滤波器、16-通信接收机、17-射频整流器、18-直通滤波器、19-能量管理器、20-负载、21-能量管理反馈控制器、22-低速链路发射器、23-反馈发射天线、24-低速链路接收器、25、26、28、29-第一、第二、第三、第四控制逻辑、27-反馈接收天线。
发射子系统的形式为能量发射机。根据应用场景和供电节点的不同，发射机数量可以为一台，也可以为多台。本实施例以一台发射机的工作原理来阐述整个系统的工作与设计流程，仅以描述方便为出发点，实际上不构成对发射机的数量的限制。同理，接收机在相当多的应用场景存在多个节点的情况，这里为清楚描述，只分析一台接收机的工作流程，实际上不构成发射机的数量限制。事实上，一台发射机对应多台接收机，多台发射机对应多台接收机，多台发射机对应一台接收机的情况是在控制算法上的拓展。
请参见附图1。本实施例为一种低成本易安装的自适应无线信息与能量复用传输系统。主要实现三大功能：发射、接收和校正控制。
基站/移动终端1、数据信号处理器2、可变增益放大器3、模拟滤波器4、大信号载波生成器5、调制器6、射频滤波器7、可变增益射频功率放大器8、射频功率分配器阵列9、射频移相器阵列10、发射天线阵11、射频控制模块12、+低速链路接收器24和反馈接收天线27构成了发射子系统。信号的流向如附图1中箭头所示。
首先，基站/移动终端1、数据信号处理器2、可变增益放大器3、模拟滤波器4、调制器6构成了现代通信系统中的基带信号和调制器处理部分，为了使系统具有兼容现代通信系统的特性，这五个部件的功能与特性应与现代通信系统的对应部件较为类似。对于本领域技术人员来说，这是公知结构，故不再赘述。调制器的调制方式可根据实际应用场景与产品选择，在本系统中不构成影响实际能量接收性能的因素。在本实施例展示系统中基于成本、尺寸、技术方案成熟度上，选择OFDM调制方式。大信号载波生成器5为振荡与混频器，其基本功能也与现代通信系统的基本功能类似，在此不再赘述。振荡器的震荡频率应为射频微波波段的频率，所选择的频段应在常用几种ISM频段内选择，以兼容现代通信系统，但在本系统中工作频率不构成影响能量接收的因素，可根据实际应用场景进行选择。需要注意，接收子系统的工作频段应能兼容发射子系统的工作频段，以保证接收子系统能有效接收能量。在本实施例的展示系统中，为了适应某种具有单一较窄工作频段的能量接收子系统，对振荡器进行优化设计，使其通常可在ISM频段的上下限频点可调(本实施例为4.125GHz-5.275GHz)，并根据射频控制模块12产生的第一控制逻辑25进行调整，从而适应在同一频段不同信道，具有轻微频率偏差的接收子系统。第四控制逻辑29的工作流程将在附图5的描述中详细说明。
调制器6输出已经调制好的信号，进入射频滤波器7。射频滤波器7是一个带阻滤波器，主要功能是滤除在大信号载波生成器5工作时产生的高次谐波，提高调制信号的信噪比，由于信号进入可变增益射频功率放大器8之后会被高增益放大，调制器6有效地提高了系统的通信性能。射频滤波器7的制作形式可以微带线、带状线等有多种，结构有SIR，环形、发夹型多种，不构成对本系统性能的限制，但应注意设计在工作基频的对应二次、三次频点(本实施例的二次频段为9.6GHz左右，三次在13.4GHz左右)有不小于-20dB的衰减，同时在基频和基带频率有不高于0.5dB的插入损耗，保证通带的通过性能。
经过射频滤波后的通信信号进入可变增益射频功率放大器8；可变增益射频功率放大器8的作用是把通信调制信号放大到可以供给天线空间辐射的程度。射频功放的增益可以有两种模式，一种是通信模式，放大后的功率级一般在20dB左右；另一种是能量传输模式，放大后的功率级一般在30dB以上。这两种模式可以由射频控制模块根据反馈信号来切换，第二控制逻辑26的工作流程将在附图4的描述中详细说明。
可变增益射频功率放大器8的实现方式有多种，不构成对本系统性能和实现形式的限制，但在设计中应注意使放大器具备以下特性：较高线性度，以保证载波信号不失真；高效率，以保证能量信道的能量高利用率；多级增益，以在不同的实际工作条件下调整增益，调整的依据来自射频控制模块；一定的增益带宽，放大器应在载波有频率微调时保持高增益与高效率，从而保证能量信道的性能。该功率放大器的能量由低纹波电源提供，供电电压一般在6V–33V。已作为能量信号的主要能量来源，低纹波电源应有较高的效率与较低纹波值。
经过放大的射频信号进入射频功率分配器阵列9。高性能射频功率分配器9把一路载波信号等分分配到N个支路(N的取值根据应用场景大小改变)。高性能的具体要求为：首先，各通道的插入损耗应控制在小范围，具体体现在各前向通道的通过参数SN1要求有低的插损(0.3dB以下)，保证能量有较高的利用率；要求主通道各子通道的反射系数S11和SNN在-20dB以下；同时，各子通道之间应该有较高的隔离度，使各通道能较独立运行互不影响，从而减小天线阵列的设计难度，并在其中一个子通道工作出现异常时防止系统性风险的发生，具体表现在SMN应该在-20dB以下。各子通道的能量出口加入一个开关，开关由射频控制模块控制，以实现根据系统工作情况开关子通道的功能。
射频移相器阵列10、发射天线阵11组成可编程相控天线阵。射频功率分配器阵列9的每一条子通道分别对应且唯一对应射频移相器阵列10的一条子通道，并且对应且唯一对应发射天线阵11的一个天线单元。信号能量经过射频功率分配器阵列9分路的各个子通道分别流入射频移相器阵列10的对应子通道，经过移相器阵列的子通道分别移相后，通过发射天线阵11的天线单元辐射到自由空间。本技术领域的人员应能明白，各路子通道的信号进入天线辐射单元前通过移相器通过调整不同通道的相位延迟，让子通道等分的各束能量的辐射时间节点各延迟设定好的相位角，使得各自通道的辐射能量波阵面在设定的传输方向上的每一个点的每一个时间节点都是信号波峰的叠加，从而大大增强在某个设定方向上的能量传输强度，根据能量守恒定律，则在这个方向形成集中的信号波束，减小自由空间的散射，提高能量信号的能量利用率。进一步地，当接收子系统位置移动时，为了保持高效率的能量传输，发射能量波束的传输方向也应发生变化，这一点可以通过可编程移相器阵列，由射频控制模块12产生的逻辑控制移相序列来改变，第二控制逻辑26的工作流程将在附图4的描述中详细说明。
更进一步地，可通过在天线阵添加物理转向设备，已适应接收子系统更大位移的情况。射频移相器阵列10、发射天线阵11可以有多种实现方式，不构成对本专利的限制，但在设计中射频移相器阵列10应具备低插入损耗、高移相稳定度、高移相精确度、可编程、成本低、重量轻的特性；发射天线阵11应具备高增益、小面积、高辐射效率、轻重量等的特性。
接收天线阵13、能量分离器14、谐波抑制滤波器15、通信接收机16、射频整流器17、直通滤波器18、能量管理器19、能量管理反馈控制器21、低速链路发射器22、反馈发射天线23和负载20，构成了接收子系统。在自由空间传输的射频能量通过接收天线阵13接收并传输到后级。接收天线阵13为高性能天线阵，其实现形式有多种，不构成对本系统的实施的限制，但在设计时应注意达到以下性能指标：天线阵列应在接收频段范围内具有较好的反射性能，要求频段内S11在-20dB以下；天线阵列应有较宽的主瓣范围，并具有较高的增益，要求G在22dB以上；天线阵列应具有高接收效率，接收效率要求达到90%以上；在能量传输的应用场景，要求天线的极化方式为线极化，并对应发射天线的极化方向，以使能量链路传输效率最大化。在能量收集应用场景，天线应选择适当的极化方式以接收来自不同方向的能量。
接收天线阵13从把射频能量从自由空间传导到能量分离器14，由能量分离器14对信号进行分离。发射子系统的工作方式可知通信信号与载波信号复合加载，因而能量分离器14说提到的“分离”概念实际上是把复合信号重新分为两部分，能级较大的信号能量输入到能量转换链路，能级较小的信号能量输入到通信链路进行处理。由于发射信号已经经过可变增益射频功率放大器8进行高效率放大，信号能级已经被放大，小部分信号能量仍然能被通信接收机16中的检波器模块检测到并进行有效处理。通信接收机16的组成和工作原理和现代通信系统的功能相同，此领域的技术人员应该了解，在此不再赘述。同理，由于发射信号能级已经被放大，普通的通信接收机也能接收并检测到发射天线阵旁瓣的信号，从而保证了本实施例在对信号进行通信与传能复用的同时保持与现代通信系统的兼容性。
能量分离器14的实现形式有多种，不构成对本发明保护权力的限制。在本实施例中对能量分离器14的性能有具体要求。能量分离器应能高效地分离能量信号和通信信号，分离效率通过能量信号与通信信号的比值、通信信号的纯净度来衡量。分离后大功率分配子路接到谐波抑制滤波器15，小功率分配子路接到通信接收机16。为了有效传输能量，能量分离器14的能量反射和插入损耗应该控制在较低水平；为避免工作时两个自通路互相影响，子路之间应提高足够的隔离度。进一步地，能量分离器14可以由能量管理反馈控制器21产生的逻辑控制来针对不同的工作状态，分别或同时对进入谐波抑制滤波器15或通信接收机16的通道进行关断处理。第三控制逻辑28的工作流程将在附图2的描述中详细说明。
谐波抑制滤波器15、射频整流器17、直通滤波器18共同构成了接收子系统能量链路的射频能量转换模块(RF to DC module)，模块作用是比射频能量高效率地转换为直流能量，输入到能量管理器19。谐波抑制滤波器15的主要作用有两个：一是抑制来自能量分离器14的能量信号中的杂波，防止杂波对射频整流器17工作造成影响(在能量收集应用场景中，谐波抑制滤波器15表现为低通可以广泛吸收900MHz到5.8GHz的能量，而滤掉更高频能量，这是对在能量传输场景的谐波抑制滤波器15的性能扩展，不构成对本发明保护权利的限制)；二是对射频整流器17工作时由于肖特基二极管的非线性特性所产生的高次谐波进行发射，防止高次谐波能量倒流到接收天线阵13而产生二次辐射，从而降低能量利用率。射频整流器17将射频能量高效转换为直流能量，主要由核心器件—肖特基整流二极管完成。射频整流器17选择的二极管模式也有多种，二极管连接结构也有多种，可根据实际应用的时输出电压和输入功率规模选择，不构成对本发明保护的范围，但在设计中应使其具备高转换效率、低插入损耗、尺寸小、易于集成的特性。能量在经过射频整流器17后，大部分转换为直流能量，小部分由于肖特基二极管工作时产生的非线性转换为高次谐波能量，还有极小部分为二极管一次整流剩余的基频能量。直通滤波器18的功能是通过直流能量，而反射所有基频和高次谐波能量，防止射频能量影响后级直流模块。基频能量到达直通滤波器18被反射，返回射频整流器17被二次整流，而高次谐波能量则在谐波抑制滤波器15和直通滤波器18之间反复反射，从而被射频整流器17反复整流，从而提高能量利用率。直通滤波器18的实现形式有多种，不构成本专利保护范围的限制，但在设计时应使其具备射频强抑制、尺寸小、易于集成的特性。
由于射频整流器17产生的直流电压会随着输入功率的变化而变化，在应用场景中不能提供持续稳定的直流电压。这种电压不能直接加载在后级负载，否则会造成负载系统工作不稳定，甚至烧毁。因此，经过射频整流器17后的原始直流能量需要通过能量管理器19进行管理。
能量管理器19的主要作用模块有三个：（1）升降压模块：把变化的直流输入信号转换为稳定的直流输出信号；（2）采样模块：采样并记录输入直流信号，并把信号输入到能量管理反馈控制器21；（3）储能模块：把稳定的直流输出信号储存到储能元件，并在储能达到一定程度后，根据需求输送到后级负载使用。
采样模块首先采集射频整流器17的原始输出直流电压，这个直流电压信号会提供给升降压模块，调节升降压模块以此电压为基础调节工作性能；同时这个直流电压信号会提供到能量管理反馈控制器21，供给能量管理反馈控制器21进行反馈控制与发射子系统回馈信息处理。采样模块的实现形式有多种，不构成对本专利技术保护范围的限制，但在实际设计过程中应使其具备精确电压采样，低启动分辨电压，低损耗，易于集成的特性。
升降压模块主要由可编程电压转换比的DC-DC升降压转换器实现，升降压通过高性能的DC-DC升降压，把原始的直流电压转换为适用于储能模块能量输入的电平接口。通过编程功能，配合采样模块的采样电平和对射频整流器17中整流二极管的转换电压数据建模，可以对射频整流器17输出的变化电压进行实时跟踪，调整DC-DC部件的转换特性，使DC-DC的直流输出维持在一个较稳定的状态。通过对具体设计的肖特基二极管的输出性能进行建模，获得其最优效率电压点，配合可编程DC-DC升降压转换器，可以使射频整流器17在不同的输入能量大小下维持最高的能量利用率，从而保证接收子系统在不同物理位置和工作状态下的最优性能。可编程DC-DC模块的实现形式有多种，不构成对本专利技术保护范围的限制，但在设计时应使其具备低启动电压输入、宽电压转换比、高转换效率、低功耗、结构紧凑、尺寸小、可编程、易于集成的特性。
储能模块把升降压模块输出的稳定电压储存起来，存储量达到一定程度后，输送到能量分离器14或负载20进行利用。储能模块具备判断逻辑和能量开关，结合对接收子系统负载的建模，判断能量分离器14或负载20一次完整工作周期的能耗，在自身储存能量超过这个能耗的前提下，结合能量分离器14或负载20的工作需求开启能量开关，从而实现储能休眠状态到能量输送状态的转换。当能量不足以攻击能量分离器14或负载20工作时，储能模块则转换到储能休眠状态。储能模块的实现形式有多种，不构成对本专利技术保护范围的限制，但在设计时应其实具备低漏电损耗，低开关损耗，高存储容量，低控制功耗的特性。
射频控制模块12、能量管理反馈控制器21、低速链路发射器22、反馈发射天线23、低速链路接收器24、四条控制逻辑25、26、28、29、反馈接收天线27组成自校正无线通信与传能复用系统的反馈与逻辑控制部分。能量管理器19的采样模块采集射频整流器17的输出电压并输入到能量管理反馈控制器21。能量管理反馈控制器21首先根据这个信号对接收子系统的是否工作在有能量发射源的状态进行判断。这个判断的具体表现为射频整流器17的输出电压V17是否低于一个阈值Von1，Von1是根据能量管理器19的最低可输入电压来决定，从而产生第三控制逻辑28控制能量分离器14。第三控制逻辑28的工作流程参见附图3，这个逻辑有三个状态判断：
S301：在能量管理器19还未储存足够能量供给能量分离器14工作一个周期时，可由能量管理反馈控制器21产生第三控制逻辑28，控制能量分离器14关断通信链路子通路，从而提高能量链路的输入功率，加快能量管理器19储能。
S302：当V17<Von1，其中V17表示射频整流器17输出直流电压，此时能量管理器19不能正常工作，若此时能量管理器19已经储存足够的能量，可认为能量链路不能工作，此时可由能量管理反馈控制器21产生第三控制逻辑28，控制能量分离器14的能量链路关断，能量全部流过通信接收机16，此时接收子系统为单无线通信系统；
S303：当V17>Von1且能量管理器19储能足够时，能量管理反馈控制器21产生第三控制逻辑28，同时打开通信链路与传能链路子通路，两个子通路同时工作。
能量管理反馈控制器21在产生第三控制逻辑28的同时，把能量管理器19采集的原始直流电压输入数据与对射频整流器17建模的最优数据对比，若两者之间产生误差，则启动低速链路发射器22，并把此时采集的原始直流电压输入数据与当前接收子系统的编码发送到低速链路发射器22。由于射频整流器17的工作性能直接且唯一体现在原始直流电压上，因此采用电压数据进行对比可尽量简单化低速链路发射器22的传输数据形式，从而降低功耗，并简单化硬件布置，降低成本。能量管理反馈控制器21的实现形式有多种，不构成对本专利技术保护范围的限制，但在设计时应使其具备低功耗、小尺寸、易集成的特性。
低速链路发射器22被启动后，把从能量管理反馈控制器21接收的电压和时间数据进行数据包封装，并通过反馈发射天线23发射，并传输到反馈接收天线27传导，由低速链路接收器24进行接收。低速链路发射器22、反馈发射天线23、低速链路接收器24、反馈接收天线27的功能与现代低功耗通信系统功能类似，在此不再赘述，但是在设计时应使其具备超低功耗突发传输、超低功耗休眠、易于集成的特性与功能。
解调后，低速链路接收器24把接收到的数据包中的电压和不同接收子系统唯一对应的编码传输到射频控制模块12。射频控制模块12已存储好接收子系统射频整流器17的建模，把接收到的电压信号Vr分别和上一次接收的信号Vrl以及建模最优值Vrop做对比，以此为依据启动自校正功能，产生第一控制逻辑25调节射频移相器阵列10的工作状态，第二控制逻辑26调节射频功率分配器阵列9的工作状态。特别地，在系统初始工作阶段，对于唯一的接收子系统编码，射频控制模块12将把接收到的电压信号Vr与建模最优值Vrop做对比，并产生第四控制逻辑29调节大信号载波生成器5，使信号发射频率调节到接收子系统最优接收频率。第一控制逻辑25与第二控制逻辑26联合实现波束自校正功能，其实际工作场景示意图请参见附图3，控制逻辑工作流程请参见附图4。第四控制逻辑29的工作流程请参见附图5。
参见附图3。附图3是自校正系统的工作模式图。在这个场景下，发射子系统位置固定，而接收子系统位置可能移动。为了方便描述，记接收子系统的初始位置为位置0。根据弗里斯空间传输公式，发射子系统在正对着位置0的方向发射时，接收子系统有最优的能量利用率。以初始位置0位基础，接收子系统分别可以往四个基础方向移动。定义附图3中接收子系统位置0向位置1移动的方向为正向，此时接收子系统和发射子系统所在位置连线与发射子系统和位置0连线的夹角为正，则位置0向位置3移动的方向为负，连线夹角也为负。由于位置1-2和位置3-4轴对称，实际上这个场景描述了三种情况：接收子系统位置偏离波束主要方向、接收子系统靠近发射子系统、接收子系统远离发射子系统。进一步地，由于天线阵尺寸的和移相器移相范围的限制，可以扫过的方向角度有限，若配合在天线阵安装一个物理转向装置，则可以配合天线阵进一步扩宽波束的传输方向范围。为了方便描述，记位置1和发射子系统的连线与位置0和发射子系统的连线夹角是Smart beaming通过移相算法能使波束传播方向偏移的最大角度θ1；记位置2和发射子系统的连线与位置0和发射子系统的连线夹角是Smart beaming配合舵机能使波束传播方向偏移的最大角度θ2。同理位置3、位置4分别对应θ3、θ4。定义接收子系统到达位置5时，距离发射子系统过近，射频整流器17承受的电压大于二极管能承受的最大电压，将会烧坏；接收子系统到达位置6为发射子系统将可变增益射频功率放大器8的增益调到最大时，接收子系统仍能保持最优效率的距离。超过这个距离，接收子系统的工作状态不再最优，而位置6即为整个系统能量利用率能有最优值的极限传输距离。下面配合附图4详细说明自校正功能的工作流程—也即是第一控制逻辑25、第二控制逻辑26的联合工作流程。
参加附图4。射频控制模块12接收到原始直流电压信号Vr后，调取接收子系统编码对应的建模数据Vop做对比。这有两种情况：当Vr>Vop时，进入子流程S401；当Vr<Vop时，进入子流程S402。若Vr=Vop，则认为系统工作在最优状态区间，无需调整发射与接收子系统性能，系统保持问询状态。
S401：这个子流程代表接收子系统处于位置0和位置5连线之间的位置的情况，此时接收子系统接收的功率比处于最优工作状态时的接收功率大，为了保护器件，首先第二控制逻辑26判断Vr是否大于射频整流器17能承受的最大电压Vbr。若大于Vbr，则发出控制指令先关闭直通滤波器8，此时直通滤波器8的增益为0，保护接收子系统。此时接收子系统工作模式改变为单纯的通信系统，直到检波电平处于正常水平，再改变这个状态；若小于或等于Vbr，则发出指令降低直通滤波器8的增益，并通过迭代的方式反复比较，重新找到适合接收子系统最优工作点的增益，若找到，则认为本次校正完成。
S402：这个子流程代表三种情况：
（1）接收子系统的位置改变，处于位置0和位置2之间。
（2）接收子系统的位置改变，处于位置0和位置4之间。
（3）接收子系统的位置改变，处于位置0和位置6之间。
此时主要作用的是第二控制逻辑26。第二控制逻辑26首先产生相应的移相算法，使天线阵波束方向改变+1度。+1度代表的是移相阵列算法的移相精度，只是为了方便描述，实际上根据设计的移相器阵列的性能而改变数值。在方向改变+1度后，射频整流器17输出的原始直流电压Vr必然改变而产生新值，上一个采样周期采样的电压变为Vrl。此时射频控制模块12再将新值Vr和旧值Vrl比较，这会产生两种情况：
(1) 若Vr>Vrl，证明波束方向的改变正确。此时进入子流程S403进行循环迭代，不断调整正向角度，最优使新值Vr接收建模数据最优值Vop，从而完整方向自校正。特别地，当射频控制模块12发现波束方向改变已经达到Smart Beaming最大正向角度时，将进入子流程S404，使用舵机配合Smart Beaming进一步增大正向角度，继续优化接收子系统的能量利用率。
(2)若Vr<Vrl，证明波束方向向着反方向偏离，接收子系统处于位置0和位置4之间。此时射频控制模块12产生新的移相算法，是天线阵波束方向改变-1度，并进入子流程S405、S407。由于此部分工作机理和(1)类似，只是改变方向相反，故不再重复描述。
(3)如果在情况(2)中，当波束传输方向为-1度时，Vr<Vrl，那就证明接收子系统的位置并没有发生方向上的偏离，而是朝着位置0的方向远离的发射子系统，此时接收子系统处于位置0和位置6之间的位置。这时候第一控制逻辑25产生新的算法，使波束调整+1度，使波束重新对正位置0的方向。然后，第二控制逻辑26控制可变增益射频功率放大器8，增强可变增益射频功率放大器8增益，并进入子流程S406通过迭代重新找到接收子系统最优工作点时对应的增益。特别低，当接收子系统朝着远离发射子系统的方向超过了位置6，此时可变增益射频功率放大器8增益已经达到最大，故继续保持最大增益，直到射频控制模块12的判断重新进入S401子流程为止。
在发射子系统和新的接收子系统初次协同工作时，射频控制模块12还可以产生第三控制逻辑28轻微调节大信号载波生成器5的载波频率，以消除由于接收子系统在制作过程中引入误差造成的频率偏差，成为频率自校正过程。这个过程一般发生在接收子系统初次工作时，一旦找到最优频率点，则结合接收子系统的唯一编码，作为该接收子系统的属性之一存在并被射频控制模块12储存。往后每次重新工作时，射频控制模块12都调出编码数据，以此为依据产生控制第三控制逻辑28调整大信号载波生成器5的工作频率。第四控制逻辑29的工作流程请参见附图5。
参见附图5。首先射频控制模块12接收电压信号Vr，调取编码对应的建模数据Vop进行对比。若两者相等，则认为无需校正，接收子系统已经工作在最优接收频率；若不等，则第三控制逻辑28通过在源频率左右范围内微调，并将新的Vr和旧值对比，来寻找最大值VR_max。一旦找到，则认为对应的大信号载波生成器5频率即为该接收子系统的最优工作频率。
在一种示例中，列举了低成本的自适应无线信号与传能系统。在小尺寸，低成本的发射源能分别对2.5米以外的三个LED灯泡供电，并能在1米范围内点亮一个LED点阵。另一方面，发射源也对2.5米的储能电容进行有效充电，充电后能量即应用于传感器节点与通信系统。该系统能较好地在物联网传感器节点供电、移动手持终端充电等基础领域。
在另一种示例中，物联网传感器节点网络由于布设数量大，布设空间广泛，位置随机，使用有线传输能量，电线假设难度大，物料成本高，占地面积大。若传感器节点自带电源，由于缺乏能量补充，节点的使用周期将由电池的电量决定。若电量耗尽后更换，由于节点数量庞大，耗费的更换物料与人力成本巨大。利用本系统的技术，通过对射频移相器阵列10相位阵列的调整，使发射波形具有多主瓣宽主瓣的特性，通过舵机定位扫描的方式定位不同接收子系统的位置角度，配合波束成型在这些角度循环发射能量，将能有效对角度上的节点进行能量供给与补充，有效解决传感器节点能量短板的问题。
在另一种实例中，在先进医学的应用中，目前可以把传感器或者器官辅助工作仪器植入到体内检测病源或者器官的工作情况。然而同样由于传感器能量短板问题，当传感器缺电时，更换或再充电难度大，取出风险与成本较高。利用自适应系统能在一定距离下快速找到能量接收子系统的最优工作效率位置，从而快速补给能量，对人体的影响大大减小，延长体内传感器的使用寿命。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种低成本的自适应无线信息与能量复用传输系统，该系统分为两大部分：发射子系统与接收子系统，其特征在于，所述发射子系统发射同时具备能量和信号的复合信号，通过自由空间传输至接收子系统；
所述接收子系统把复合信号分离到通信链路和能量链路分别加以利用，实现信息与能量复用的功能；其中能量链路的能量能够供给后级负载使用，也能够供给接收子系统的通信链路使用；同时，接收子系统通过能量管理、监测与反馈，把接收子系统的实时工作性能反馈给发射子系统，发射子系统根据反馈信号调整发射性能，从而实现自校正功能，维持整个系统性能的最优化。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射子系统包括：基站/移动终端（1）、数据信号处理器（2）、可变增益放大器（3）、模拟滤波器（4）、大信号载波生成器（5）、调制器（6）、射频滤波器（7）、可变增益射频功率放大器（8）、射频功率分配器阵列（9）、射频移相器阵列（10）、发射天线阵（11）、射频控制模块（12）、低速链路接收器（24）和反馈接收天线（27）；
其中，基站/移动终端（1）提供原始的通信基带传输信号，依次经过数据信号处理器（2），可变增益放大器（3）和模拟滤波器（4）进行处理，处理后的信号具备能够被调制的特性，再通过调制器（6）把大信号载波生成器（5）生成射频载波与模拟滤波器（4）输出的基带调制信号进行调制，继而输出基础的射频通信信号；基础的射频通信信号依次输入到射频滤波器（7）和可变增益射频功率放大器（8）进行进一步处理，把基础的射频通信信号转变为能量复合信号；射频滤波器（7）用于滤除在调制过程中产生的高次谐波，提高通信系统的信噪比，可变增益射频功率放大器（8）对调制并滤波后的调制信号进行可调增益的射频功率放大，使其具备能量复用信号的能级；
从可变增益射频功率放大器（8）输出的能量复合信号依次通过射频功率分配器阵列（9）、射频移相器阵列（10）和发射天线阵（11），高效并且集中地往自由空间的某个确定的方向传输；射频功率分配器阵列（9）提供等分的功率分配，使其进入射频移相器阵列（10）的不同通道，不同通道的能量分别由发射天线阵（11）辐射出去，从而形成高主瓣，低副瓣的能量波束，在空间内有效传输；
发射子系统在进行能量复合信号发射的同时，也通过另外一条通信链路接收接收子系统传来的性能反馈信号，并根据反馈信号自适应地调整发射性能，从而实现自校正功能；
反馈接收天线（27）接收到接收子系统传来的信号，传导到低速链路接收器（24）处理，然后传输到射频控制模块（12）；射频控制模块（12）根据反馈数据产生第一控制逻辑（25）调节射频移相器阵列（10）的相位，从而调节波束的主瓣方向；同时根据接收电压信号调节可变增益射频功率放大器（8），从而调整发射功率大小。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述接收子系统包括：接收天线阵（13）、能量分离器（14）、谐波抑制滤波器（15）、通信接收机（16）、射频整流器（17）、直通滤波器（18）、能量管理器（19）、能量管理反馈控制器（21）、低速链路发射器（22）、反馈发射天线（23）和负载（20）；接收天线阵（13）接收传输或者空间的复合能量信号和通信信号，并通过能量分离器（14）从复合能量信号中分离出通信信号和能量信号，通信信号进入通信链路，由通信接收机（16）进行处理，能量信号进入能量链路，依次由谐波抑制滤波器（15）、射频整流器（17）和直通滤波器（18）处理，将其从射频能量高效地转化为直流能量，并由能量管理器（19）进行管理；管理后的直流能量能够储存起来，或者供给通信接收机（16）、能量管理反馈控制器（21）、低速链路发射器（22）和负载（20）使用；
能量分离器（14）分离出通信信号和能量信号，大部分能量进入能量链路，依次由谐波抑制滤波器（15）、射频整流器（17）进行射频-直流转换，谐波抑制滤波器（15）的作用是抑制整流器工作时产生的高次谐波，使谐波能量反弹到整流器做二次整流，直流能量通过直通滤波器（18），输入到能量管理器（19），直通滤波器（18）阻止任何工作频率以外的谐波能量进入后级，同时配合谐波抑制滤波器（15）把整流器产生的高次谐波封锁在整流器前后级之间，谐波能量在三级之间返回被整流，从而提高系统能量利用率，能量管理器（19）接收到直流能量，将能量通过直流转换手段进行动态稳定，使其输出到后级直流负载（20）和通信接收机（16）以供给接收机工作；
同时，能量管理器（19）采集信号同时收集信号电平，判断接收子系统是否处于最优工作状态，并依此调整能量管理性能，以及把性能数据发送到低速链路发射器（22），并由反馈发射天线（23）传导到自由空间，被发射子系统接收，大信号载波生成器（5）、可变增益射频功率放大器（8）、射频功率分配器阵列（9）、射频移相器阵列（10）、射频控制模块（12）、能量分离器（14）、能量管理器（19）、能量管理反馈控制器（21）、低速链路发射器（22）、反馈发射天线（23）、反馈接收天线（27）、低速链路接收器（24）、第一、二、三、四控制逻辑（25）、（26）、（28）、（29）协作共同完成自校正功能的前向链路、反馈链路和控制链路，形成自校正模式的工作。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述射频滤波器（7）是带阻滤波器，直通滤波器（18）是低通滤波器。
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