CN107017954A

CN107017954A - 基于时隙控制的自适应无线信号与能量复合传输采样系统

Info

Publication number: CN107017954A
Application number: CN201710084204.1A
Authority: CN
Inventors: 谭洪舟; 区俊辉; 安德烈·安德烈尼克
Original assignee: SYSU CMU Shunde International Joint Research Institute; National Sun Yat Sen University
Current assignee: SYSU CMU Shunde International Joint Research Institute; National Sun Yat Sen University
Priority date: 2017-02-16
Filing date: 2017-02-16
Publication date: 2017-08-04
Anticipated expiration: 2037-02-16
Also published as: CN107017954B

Abstract

本发明公开一种基于时隙控制的自适应无线信号与能量复合传输采样系统，包括发射与接收子系统，发射子系统发射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；接收子系统把复合信号分离到通信链路和能量链路，实现信号与能量复用；信号由通信接收机解码，能量被转化为直流能量供给负载和通信接收机使用；接收子系统通过对直流能量进行管理和检测，把接收子系统的实时工作性能首次报告或反馈发射子系统，发射子系统根据反馈信号调整发射性能，实现初始化、自校正，维持系统性能最优；当多于一个工作频率的接收子系统被报告存在时，发射子系统还能根据反馈将性能转换为多频率发射模式，供给不同的接收子系统并维持本系统总体性能的最优。

Description

基于时隙控制的自适应无线信号与能量复合传输采样系统

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，涉及一种基于时隙控制的自适应无线信息与能量复合传输采样系统。

背景技术

无线能量传输技术因成本低、位置灵活、架设方便等特性而成为研究热点。在一些特别的应用场景中，例如传感器网络供电，可移动手持终端供电、运动传感器供电等场合，无线能量传输相对于有限传输有不可替代的优势。

在多种无线能量传输技术中，基于电磁辐射的能量传输因传输距离灵活性高，应用范围广，频段与现代通信系统兼容等特性而被持续关注。由于电磁辐射的散射特性，在传统能量传输的设计中为了达到较远的传输距离，通常需要专门设计能量信号的产生模块与放大模块，从而大大增加成本，能级较大的能量信号也会对自由空间中通频段的通信信号造成干扰。同时，为了实现高效率的传输，能量接收系统也需要专门的设计，导致部分实现共同功能的模块被重复设计，增加硬件成本。

另一方面，传统的微波能量传输系统中，发射系统的位置且能量发射方向一般较为固定，接收系统在这个固定方向上接收将有最优的工作状态。而在手持移动终端的能量供给应用场景中，接收系统常常处于位置移动状态。由于发射能量波束固定，容易导致接收系统能量接收效率降低，从而能量传输利用率。进一步地，当接收系统移动出发射系统的波束宽度范围，可能导致接收系统无法工作，能量利用率约为0。基于上述情况，有必要研制一种紧凑高效的具有自适应追踪功能的无线能量传输系统。对于存在多个接收系统的应用场景，而接收系统的接收频率又不同的情况下，固定的发射机频率无法同时保证多个接收系统的工作，而架设不同频率的发射系统则会显著增加其成本。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于时隙控制的自适应无线信息与能量复合传输采样系统，是一种基于电磁辐射形式的无线能量传输系统，这个系统从系统模块、信号调制方式上最大程度与现代通信系统兼容复用，减小额外为能量信道设计的模块，从而降低成本，使系统结构更紧凑。同时，这个系统具备自校正功能，具体体现在发射子系统的能量发射方向与发射特性能够根据接收子系统的数量、位置的不同实时调整，使接收子系统的能量利用率保持在最优状态点附近。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于时隙控制的自适应无线信号与能量复合传输采样系统，该系统包括发射子系统与接收子系统，

所述发射子系统发射能载波在不同频率的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，实现信号与能量复用功能；其中，分离到通信链路的信号由通信接收机解码，分离到能量链路的能量被转化为直流能量供给负载和通信接收机使用；同时，接收子系统通过对直流能量进行管理和检测，把接收子系统的实时工作性能首次报告或反馈给发射子系统，发射子系统根据反馈信号调整发射性能，从而实现初始化、自校正功能，维持本系统性能最优化；当多于一个工作频率的接收子系统被报告存在时，发射子系统还能根据反馈将性能转换为多频率发射模式，供给不同的接收子系统并维持本系统总体性能的最优化。

优选的，所述发射子系统包括：基站/移动终端、数字通信收发机前端、射频滤波器阵列、多频率载波信号发生器、可变增益功率放大器、射频功率分配器、射频移相器阵列、射频控制器、双向耦合器、发射天线阵、和调制器阵列；

发射子系统中，基站/移动终端提供原始的通信基带传输信号，经过数字通信收发机前端处理后，多频率载波信号发生器产生的载波信号与原始的通信基带传输信号通过调制器阵列调制为基础的射频通信信号；基础射频通信信号经过射频滤波器阵列滤去杂波成分，提高信噪比，然后经过可变增益功率放大器加载能量，形成信号与能量复合的原始信号，这个信号/信号组经过射频功率分配器、射频移相器阵列后分为多个子信号，通过双向耦合器的通道到达发射天线阵，并由发射天线阵中的可变波束天线阵形成一个或者多个信号波束发射到自由空间；

发射子系统在发射同时具备能量和信号的复合信号时，发射天线阵也从空间中接收由接收子系统传导来的反馈信号，这个反馈信号通过双向耦合器的反向通道进入数字通信收发机前端处理，并得到接收子系统的属性和性能报告，再传输到射频控制器；射频控制器根据报告产生第一、二、三控制逻辑，改变多频率载波信号发生器、射频滤波器阵列、可变增益功率放大器、射频功率分配器、射频移相器阵列的性能，即达到初始化或自校正功能，从而调节发射波束的方向、载波的频率、发射功率大小，维持发射子系统与接收子系统之间链路传输性能的最优化。

优选的，所述接收子系统包括接收天线阵、定向耦合器、复合采样器、通信接收机、谐波抑制器、射频整流器、直通滤波器、能量管理器、负载、能量管理反馈控制器、时隙控制器和低功耗发射机，

在自由空间传输的复合信号由接收子系统的接收天线阵传导接收；接收的复合信号进入复合采样器进行采样，采样到的信号由通信接收机处理，剩余的能量信号分别进入谐波抑制器、射频整流器、直通滤波器转换为直流能量，并输出原始直流电压，通过能量管理器进行储存管理后输入后级；

能量管理器在管理输出的直流能量同时，把接收的直流能量状态传递给能量管理反馈控制器，时隙控制器在初始工作时，把接收子系统的工作特性和初始接收性能打包成数据包，并通过低功耗发射机转化为反馈信号，并通过定向耦合器的反向通道，传递到接收天线阵；此时，接收天线阵变为反馈信号发射天线阵，利用在周期中的一个短暂时隙的时间，把反馈信号发送到自由空间，被发射子系统的发射天线阵接收并解读，从而初始优化发射系统的发射性能。

优选的，当接收子系统位置变化时，接收功率发生变化，往往使其工作状态产生偏差，从而脱离最优工作状态，此时，接收子系统同样通过低功耗发射机和定向耦合器的反向通道，把工作状态变化信息反馈到发射子系统，由发射子系统自适应地迭代调节射频移相器阵列，从而调节波束方向，直到接收子系统反馈重新进入最优工作状态区间为止。

优选的，当存在多个接收子系统，且接收子系统工作在不相同的频段时，能够由接收子系统反馈对应的唯一编码信息与工作状态信息，由一个或多个发射子系统判断，产生多个载波阵列，同时供给空间内多个接收子系统工作。

优选的，所述发射子系统能够扩展为多个，当接收子系统与某一个发射子系统发生阻隔时，接收子系统能够判断这个状态并反馈给多个发射子系统，由发射子系统分别调整各自的工作状态，直到接收子系统重新进入最优工作状态区间为止。

可替换地，接收子系统可以去掉信号接收，并加入电量计量器，对被充电的负载进行检测，当电量到达某个值或充电效率小于某个值时，接收子系统的能量管理模块将产生保护逻辑保护接收子系统，并反馈到发射子系统，改变发射子系统的工作状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、能量信号发射兼容现代通信系统的信号，不会对现代通信系统的工作造成干扰。同时系统兼容现代通信系统模块，最大程度地减小了成本。

2、能量信号接收采用复合采样技术，接收子系统低成本高效地分离通信与能量信号；

3、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，能量发射通道数与发射频率可根据接收系统的数量和特征进行调整；

4、接收子系统采用高效的能量管理系统，以超低功耗管理接收的能量并反馈信息，同时控制接收子系统转换不同的工作状态。

5、采用时隙控制技术，使接收子系统的收发链路复用，减小硬件成本，同时使系统更紧凑。

附图说明

图1是根据第一实施方式的时隙控制的无线能量传输系统的系统框图。

图2是无线信息与能量复合采样传输系统的时隙控制流程图。

图3是根据第一实施方式无线信息与能量复合采样传输系统的自适应功能工作示意、透视图。

图4是根据第一实施方式无线信息与能量复合采样传输系统的自适应功能控制逻辑工作流程图。

图5是根据第一实施方式的可替换接收系统框图。

图6是根据第一实施方式的可替换接收系统框图。

图7是根据第一实施方式的可替换的接收子系统。

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。

参见附图1。系统分为两大部分：发射子系统与接收子系统。发射子系统处理基带通信信号，同时将工频信号转换为直流信号，再转换为需要的射频能量信号，与通信信号复合调制后行程能量束，高效率地发射到自由空间中。

在自由空间中传输的复合信号被接收子系统接收分离，通信信号进入通信接收机处理，能量信号进入能量链路转换为直流能量，并通过管理后输出稳定的直流能量供给后级使用。

在接收子系统进行能量管理的同时，会记录接收子系统的工作状态信息，并把这些信息通过对接收复合信号的通道反向传输，并由发射子系统接收。发射子系统根据接收的状态信息调整工作状态和性能，以使接收子系统工作在最优状态区间范围内。

参见附图1，101-基站/移动终端、102-数字通信收发机前端、103-射频滤波器阵列、104-多频率载波信号发生器、105-可变增益功率放大器、106-射频功率分配器、107-射频移相器阵列、108-射频控制器、109-双向耦合器、110-发射天线阵、111-接收天线阵、112-定向耦合器、113-复合采样器、114-通信接收机、115-谐波抑制器、116-射频整流器、117-直流滤波器、118-能量管理器、119-负载、120-能量管理反馈控制、121-时隙控制器、122-低功耗发射机、123/124/125/127-第一、二、三、四控制逻辑。

部件基站/移动终端101、数字通信收发机前端102、射频滤波器阵列103、多频率载波信号发生器104、可变增益功率放大器105、射频功率分配器106、射频移相器阵列107、射频控制器108、双向耦合器109、发射天线阵、110和调制器阵列构成了发射子系统。部件101接收基带数字信号，并将信号发送给部件102进行处理。部件102包含了低噪声放大器，可变增益放大器、变换器等。本领域的人员应可以理解，为了与现代通信系统兼容，收发机前端的发射部分与此系统的部件102的功能特性基本相同，但在设计时应注意小尺寸、低功耗与高度紧凑性。

部件104产生调制所需频率的载波信号，频率不同并不造成对接收子系统能量链路工作效率的影响。进一步地，部件104可设计为当接收子系统工作在不同的工作频率时，在发射子系统接收到接收子系统的反向反馈信息后，可把载波振荡器分为几组，每一组对应产生不同频率的载波。由于现代射频通信系统的工作频段集中在0.433/0.9/1.8/2.4/5.8GHz这些频段，通过设计频率选择开关，并由部件108产生的逻辑控制这些开关，可以把每个振荡器设置在不同频率，同时指派不同的频率进入后级的滤波器阵列通道。而当接收频率相同时，只需要有一组振荡器在工作即可满足需求。

多频率载波信号发生器104输出的载波信号与数字通信收发机前端102输出的基带信号通过调制器阵列126调制成基础射频信号。调制方式可以有多种，不构成对接收子系统能量链路工作效率的限制，可根据系统的需求进行选择。进一步地，对应多频率载波信号发生器104不同频率的载波信号，以及接收子系统的通信解调方式，部件126可以设计为具有若干条调制通道的调制器阵列。调制器阵列根据射频控制器108产生的控制逻辑，可以为每条调制通道指派一种特定频率的载波信号，从而形成多通道的调制信号。在设计时，纳入更多不同的调制技术，可以使发射子系统兼容更多不同的接收子系统，但需在低成本、小尺寸与兼容性中做折中选择，射频控制器108产生的逻辑将在对附图4的描述中变得明显。

调制器阵列输出调制好的信号进入射频滤波器阵列103。射频滤波器阵列103对信号进行滤波，主要有两个意图：1、滤除多频率载波信号发生器104震荡时产生的高次谐波，提高调制信号的信噪比，因为从射频滤波器阵列103输出的信号会经过进一步的放大，从而使复合信号具备能量传输链路所需的能级，因此射频功率分配器106的前置滤波功能有效提高了在能量符合系统中的通信性能；同时，射频滤波器阵列103对高次谐波的抑制防止了高次谐波能量都后级的干扰。特别地，在接收子系统工作频率不一致的情况下，较低工作频率通道产生的高次谐波的频率可能和其他更高工作频率的通道重叠，此时每个通道的调制信号有滤除可能会造成干扰的高次谐波，保证系统通信链路稳定工作。射频滤波器阵列103的设计技术有多种，不构成对系统的限制，但在性能上，需要对基频有较好的通过性能与延时性能，应保证在工作基频的对应二次、三次频点(本实施例的二次频段为11.6GHz左右，三次在17.4GHz左右)有不小于-25dB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。

射频滤波器阵列103的输出信号进入可变增益功率放大器105进行放大，使其可以被天线有效辐射。系统中能量传输链路的大部分能量来自可变增益功率放大器105，其由低纹波电源进行供电。射频功率放大器有两种增益放大模式，一种是通信模式，放大后的输出功率在20dBm左右；另一种是增强模式，这种模式下增益可以根据射频控制器108产生的第四控制逻辑127的不同而改变，增益在20dB到33dB范围内变化，第四控制逻辑127的工作流程将在对附图4的描述中变得明显。射频放大器的实现方式有多种，在设计中应注意使放大器具备以下特性：高线性度，从而使载波信号不失真；高效率，保证能量链路的高能量利用率；带改变匹配性能网络的可编程增益，配合第四控制逻辑127调节发射子系统的发射性能。进一步地，对多频率载波信号发生器104产生的多频率载波通道，分别设计对应通道的增益频带的放大器，以多通道的效率性能。

放大后信号进入射频功率分配器106。高性能射频功率分配器把一路射频信号等分分配到N个支路(N的取值从4*4到128*128之间)。每个子通道连接一个高性能的MOSFET管，这个MOSFET管在关断状态下为高阻抗，意味这个子通道关断；在开启下呈现低插损，意味着这个子通道开启。MOSFET管的工作状态由第四控制逻辑127提供。进一步地，当多频率载波信号发生器104产生多频载波通道时，功率分配器设计为多输入功率分配器阵列，每一路输入分别对应一路载波频率。功率分配器可以实现形式有多种，但在设计中应注意使其具备以下特性：1.各通道插入损耗S_N1要求有低的值(0.3dB以下)，保证能量有较高的利用率；2.要求主通道各子通道的反射系数S₁₁和S_NN的反射系数在-20dB以下，从而控制能量在前后级传输时产生<1%的反射能量；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，并在某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S_MN应该在-20dB以下。

部件107、109和110组成可编程相控天线阵。部件107的每条子通道分别对应且唯一对应部件109的一条子通道，并且对应且唯一对应部件110的一个天线单元。信号经过106分路的各个子通道分别流入部件107的对应子通道，经过移相器阵列的子通道分别移相后，进入部件109。部件109具有两个能量流向通道，前向通道从射频移相器阵列107流向发射天线阵110，用于发射能量信号；反向通道从发射天线阵110流向射频移相器阵列107，用于接收反馈信号。发射天线阵110把能量辐射到自由空间后被接收子系统接收，或者从自由空间中接收辐射信号，传导到部件102。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的目的是让子通道等分的各束能量的辐射时间节点各有延迟，从而各子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的方向增益，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，提高能量链路的能量利用率。同时，即使副瓣增益比主瓣小20-30dB，但由于部件105已经放大20-30dB，信号能级互补，因此在主瓣以外的方向仍能正常接收通信信号，从而最大程度地兼容不带能量链路的通信系统；进一步地，在接收子系统位置可移动的应用场景，为保持高效率的能量传输，发射能量波束的传输方向也跟随接收子系统的位置变化而变化，可通过可编程移相器阵列，由部件108产生的第三控制逻辑125控制移相序列来改变(Smart beaming,智能波束调整技术)，第三控制逻辑125的具体工作流程将在对附图4的描述中变得明显。更进一步地，通过在天线阵添加转向舵机，配合Smart beaming同时工作，可以实现扩宽方向的角度调整(-180°-180°)，已适应接收子系统更大位移的情况。部件107、双向耦合器109与部件110可以有多种实现方式，不构成对本专利的限制，但在设计中部件107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；部件109应具备低插入损耗，高耦合隔离度，小尺寸的特性；为了降低发射子系统复杂度，减小成本与尺寸，部件110不再为多频率载波信号提供一对一的通道，因此部件110应具备多频带的特性。除此之外，部件110还应具备高增益、小面积、高辐射效率、轻重量、线极化的特性。

接收天线阵111、定向耦合器112、复合采样器113、通信接收机114、谐波抑制器115、射频整流器116、直通滤波器117、能量管理器118、负载119、能量管理反馈控制器120组成信息与能量复合采样传输系统的接收子系统。部件111有两个作用：1.把在自由空间辐射的信号能量传导到部件112；2.把部件122产生的反馈信息通过112传导到自由空间，被部件110接收。部件111实现形式有多种，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Gain在15dB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，天线可以设计为全向圆极化、双线极化或双圆极化，以接收来自不同方向的能量。部件111的能量经过部件112进入部件113。部件112的有益效果是使接收子系统用同一个天线装置实现双工收发器，减小硬件复杂度与成本，其功能特性与109相似，在此不再赘述，但特别地，在定向耦合器112流向复合采样器113的前向通道上放置一个受控的MOSFET晶体管，该管的开关状态决定前向通道的开关状态，状态判断基于部件121给出的第二控制逻辑124，该逻辑的工作流程将在对附图2的说明中变得明显。

部件112的前向通道接收部件111传导的能量后流向部件113。部件113是一个复合采样器，其主要作用是高效分离能量信号与通信信号。这个部件有一条输入干路，两条输出支路。输出支路1配置一个高抑制射频滤波器，在支路入口看进去阻抗非常大，射频载波能量在这个节点产生近似全反射，并在节点得到完整的电压波形采样。这个采样能量由一个值很小的(一般是几pF)快速响应电容保持，并输入到部件114进行通信系统处理。部件113的有益效果时减少额外的功率分离损耗，降低成本减小尺寸，同时也能实现高效分离能量与通信信号。而部件114主要用于处理采样通信信号，主要有检波、放大、解调等模块，其主要功能与现代通信系统接收机相同，本领域技术人员应能了解，在此不再赘述。

从复合采样器分离出来的能量链路信号进入由谐波抑制器115、射频整流器116、直流滤波器117组成的能量接收链路，作用是比射频能量高效率地转换为直流能量，输出到部件118。部件115的主要作用有两个：一是抑制来自部件113的能量信号中的杂波，防止杂波对部件116工作造成影响(在能量收集应用场景中，部件115表现为低通滤波器，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部件115的性能扩展)；二是对部件117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部件111而产生二次辐射，从而降低能量利用率。部件117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。部件117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，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。能量在经过部件117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。部件118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。基频能量到达部件118被反射，返回部件117被二次整流，而高次谐波能量则在部件15和部件118之间反复反射，从而被部件117反复整流，从而提高能量利用率。部件118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能量抑制、尺寸小、易于集成的特性。

部件117输出原始直流能量被部件118收集。由于部件117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。这种不稳定的电压直接加载在后级负载会造成负载系统工作不稳定，甚至烧毁。因此，经过部件117后的原始直流能量需要通过部件118进行管理。部件118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，并把信号输入到部件120；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。

采样模块首先采集部件117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部件120，供给部件120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(冷启动<0.35V,持续工作<0.1V)，低采样功耗，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部件17中整流二极管的转换电压数据建模，可以对部件117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。进一步地，经过研究表明，部件117的核心器件—整流二极管，在一定频率下，其整流能量利用率与其输出电压直接相关，而跟输入能量大小相关性小。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(如本实施例展示系统，在5.8GHz工作频率下，肖特基二极管HSMS286B的最佳效率点对应的输出电压是3.2V左右)，配合可编程DC-DC升降压转换器，可以使部件117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，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，输送到部件120或部件114。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，判断部件114或者部件120一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，结合部件114或者部件120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。当能量不足以攻击部件114或者部件120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，但在设计时应使其具备低漏电损耗，低开关损耗，高存储容量，低控制功耗的特性。

部件118中采集到的原始直流电压信号输入到部件120处理，这个电压信号的电平值高低用作衡量能量链路工作性能的关键指标。部件120有三个作用：

1.用固定数据方式记录接收子系统的编码，这个编码唯一地与接收子系统对应。同时，部件120用同样方式记录接收子系统的工作载波频率，调制方式，能量链路最优效率值和达到最优效率值时的直流输出电压值，这些参数成为接收子系统的固有参数；

2.在系统初始工作时，部件120调取系统固有参数，并把参数发送到部件122，由部件122处理后配合121的控制，把数据发送到发射子系统，宣告这个接收子系统的存在。发射子系统根据这个接收子系统的固有参数决定调取某一种频率的振荡器、调制器与放大器增益（初始化）；

3.接收到117的采样值后，与固有参数中的最优效率直流输出电压值对比，若发现采样值处于最优值区间(一般为最优值的±5%)之外，则生成对比数据和对应的接收子系统编码数据，发送到部件122，反馈到发射子系统，发射子系统根据接收到的数据调整自身性能（自校正）；

4.接收到117的采样值后，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部件117的输出电压V₁₁₇是否低于一个阈值V_on1，V_on1是根据部件118的最低可输入电压来决定，从而产生控制逻辑124控制部件114、122转换状态，并通过控制逻辑控制部件121，改变部件112的工作状态(时隙控制)。逻辑124的具体工作流程将在对附图2的描述中变得明显。

部件120、121属于微控制系统，实现形式有多种，但在设计时应使其具备低功耗、小尺寸、易集成的特性。部件122具备低功耗发射机的基本特性，且对数据传输速率无要求，但对数据的正确性有较高要求。因此在设计时应该使其具备小尺寸、超低功耗、具备数据校验功能的特性。

当部件111把数据传导到自由空间，射频能量被部件110反向接收，通过部件109到达102处理。部件102得到有效信息后发送到部件108。部件108属于微控制系统，根据接收到的反馈信号产生控制逻辑127控制部件105，控制逻辑125控制部件107，初始化或者自校正发射子系统性能，从而使能量链路利用率达到或重新达到最优状态。进一步地，当多于一个工作频率的接收子系统报告其存在时，部件108产生控制逻辑123控制部件104和121，使其工作在多频率状态。控制逻辑127、125的具体工作流程将在对附图3、4的描述中变得明显，控制逻辑123的具体工作流程将在对附图5的描述中变得明显。

参见附图2。部件117输出原始直流电压V₁₁₇，首先进入子判断流程S301。判断部件118的储存能量是否足够114/119/122工作一个周期或完成工作任务。如果不能，则关闭通信链路，减小能耗，保证部件118储存足够的能量。若118储存能量已足够，则进入自判断流程S302，判断电压V₁₁₇是否大于部件118储存输入能量的开启电压值V_on1。弱小于V_on1，则认为接收子系统接收性能太弱，由于此时部件118能量足够供应部件122发送一次数据，则开启122发送信息；若V₁₁₇>V_on1,则进入判断流程S303，判断V₁₁₇是否大于部件116的最大承受电压V_bv(这个电压通常比烧毁电压低20%)。如果大于，接收子系统可能被损坏，则暂时关闭能量链路且反馈信息；如果不大于V_bv，则认为此时系统处于安全状态，可唤醒部件114进入待机模式接收子系统，并进入判断子流程S304。S304判断接收电压是否在最优工作状态区间。当处于最优工作区间时，认为系统以运行在最优状态，不需要调整性能；若不在最优工作状态，且能量足够运行部件122，则进入时隙控制双工模式。首先部件120产生逻辑打开部件122并发送直流电压采样数据、接收子系统对应识别码数据，由部件122对这些数据进行低功耗编码、封装、调制等操作，形成可发送的数据。当部件122准备好发送后，如果处于时隙的发送周期(时隙发送周期固定在每一个接收子系统工作周期的十分之一，接收子系统工作周期定义为30个载波的工作周期。)，则发送控制信号控制部件114进入休眠模式，同时发送信息到部件121，尤其控制部件112关断前向通道，同时打开反向通道，再由部件122发送封装好的数据包信息，通过部件112发送到部件111辐射到自由空间。这个信息不需要发射子系统的接收反馈，只需要在下一次时隙发送周期重新进入S304判断，若不满足重新执行后续逻辑即可。由于部件111设计为线极化波，部件110可接收到反向的能量，并通过部件109传输到102进行信息处理，并根据接收的信息调整发射子系统的性能，从而完成一个反馈流程。

当接收子系统通过时隙控制发送反馈数据并被发射子系统接收后，发射子系统进入自校正功能。首先对自校正功能的应用场景进行定义，详细的定义参见附图3。参见附图3。

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，发射机位置固定，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，Smart beaming可以扫过的方向角度有限，若配合在天线阵安装一个可水平转向的舵机，则可以配合Smart beaming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Smartbeaming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θ_3、θ₄。定义接收子系统到达位置5时，距离发射子系统过近，部件116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为发射子系统将部件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—也即是逻辑125与逻辑127的联合工作流程。

参见附图4。部件12接收到原始直流电压信号V_r后，调取接收子系统编码对应的建模数据V_op做对比。这有两种情况：当V_r>V_op时，进入子流程S401；当V_r<V_op时，进入子流程S402。

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，为了保护期间，首先逻辑122判断V_r是否大于部件116能承受的最大电压V_br。若大于V_br，则发出控制指令先关闭部件8，此时部件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，直到直流电平处于正常水平，再改变这个状态；若小于V_br，则发出指令降低部件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。

此时主要作用的是逻辑125。逻辑125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，部件116输出的原始直流电压V_r必然改变而产生新值，上一个采样周期采样的电压变为V_rl。此时部件120再将新值V_r和旧值V_rl比较，这会产生两种情况：

(1) 若V_r>V_rl，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V_r接收建模数据最优值V_op，从而完整方向自校正。特别地，当部件108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V_r<V_rl，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。此时部件108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，V_r<V_rl，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，控制逻辑26控制部件8，增强部件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。特别地，当接收子系统朝着远离发射子系统的方向超过了位置6，此时部件8增益已经达到最大，故继续保持最大增益，直到部件12的判断重新进入S401子流程为止。

特别地，当发射子系统接收到超过一个不同频率的接收子系统报告其存在时，发射子系统的工作模式转换为多载波模式。附图5是发射子系统处于多载波模式时的简要说明图。首先接收子系统501报告其存在，工作频率为2.45GHz。在这里为了描述方便，定义接收子系统唯一的对应码为501。发射子系统接收到501的固有属性后，开始初始化发射子系统，包括设定载波频率，初始放大器增益以及初始发射波传输方向，并在后续的反馈自校正中使501达到能达到的最优性能。假设此时发射子系统接收到另一个接收子系统502的存在报告，502的工作频率为5.8GHz。此时发射子系统调整其性能，启动部件103、104、105、121的5.8GHz对应的通道，产生符合调制形式的5.8GHz复合信号，同时释放部分107、110的阵列子通道，使部件107对应5.8GHz的子通道能量通过部件109进入110释放的天线阵列，并通过对107该部分阵列的移相算法控制，是部件110对应5.8的阵列产生固定传输方向的能量，并完成初始化与自校正的流程。部件110相当于形成了两个分集天线阵同时工作。特别地，若在发射子系统处于最大增益的功率输出时，接收子系统502仍报告接收电压小于对应部件116的开启电压V_on，则认为接收子系统退出了能量供应范围，此时应关闭对502的能量供给通道，释放部件110对应的子阵列，并重新应用到对501的传输当中。

同理，当接收子系统503被报告存在时，发射子系统再次形成分集天线阵3，支持对503传输电能。应当注意的是，随着原始天线阵列被分集，各自的波束性能和在传播方向上的方向增益会降低，此时部件105应适当增大原始型号增益进行弥补。同时，分集天线越多，系统复杂度越高，应有一个折中，同时采用增加发射子系统数量来弥补。

参见附图6。附图6是根据以上实施方式的可替换的接收子系统，这个系统可应用于智能家居带能量开关的唤醒系统。目前室内家居中大部分电器平时都连接电源，处于待机状态。相对正常使用时间，大部分电器的待机状态占全天的50%时间以上，部分电器如抽油烟机的待机时间甚至达到90%以上。电器待机也会消耗功率，随着室内电器越来越多，待机功耗已经成为能耗耗损的大部分来源。采用附图6的系统，在能量链路正常接收到发射子系统发射的射频功率后，通过部件207控制产生供电能量开启电器。在开启之前，电器可以处于完全关闭状态。这样可以大大减小待机功耗，促进智能家居的环保效应。

这一实例还可以用于传感器网络的智能唤醒。这种传感器网络不需要下行数据，只需要接收能量和定时上传数据。传统的接收子系统的数据上行发射模块在传感器数据采集阶段处于待机模式，也会消耗功率。采用复合采样传输接收子系统，配合传感器节点的自有能量，在发射子系统需要接收传感器数据的工作周期发射唤醒能量，通过部件207输出电压激活部件208，开启传感器的网络上行模块，传感器把数据打包后上传。

参见附图7。附图7是根据以上实施方式的可替换的接收子系统。这种接收子系统可以应用于手持设备无线充电。部件710被编程输出符合部件713输入电压标准的电压，这个电压到达部件713，对电池进行充电。当接收子系统的位置发生变化时，虽然710的输出电压趋于稳定，但输出电流会根据整流效率和输入功率不同和变化，这个电流将导致部件713的充电速度有快慢。由于电池的容量有限制，不可能持续充电至满电。因此在部件711检测到部件713的电量到达一个上限阈值(一般不为100%，设置为90%)，则通知部件712，部件712产生逻辑关闭能量链路，并产生数据输送到部件703，并通过部件702、701反馈到发射子系统，由发射子系统暂时关闭对该接收子系统的能量传输，若此时有或已有其他接收子系统工作，则释放资源供给其他系统，如无，则调整功率放大器增益到通信功能水平，能量链路进入待机状态。另一方面，当711检测到713电量小于一定程度(一般小于30%)，则通知712，712控制702打开能量链路，并发送信息反馈到发射子系统，重新报告其存在，发射子系统进入初始化与自校正流程，对该系统重新充电。

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

1.一种基于时隙控制的自适应无线信号与能量复合传输采样系统，该系统包括发射子系统与接收子系统，其特征在于，

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，实现信号与能量复用功能；其中，分离到通信链路的信号由通信接收机解码，分离到能量链路的能量被转化为直流能量供给负载和通信接收机使用；同时，接收子系统通过对直流能量进行管理和检测，把接收子系统的实时工作性能首次报告或反馈给发射子系统，发射子系统根据反馈信号调整发射性能，从而实现初始化、自校正功能，维持本系统性能最优化；当多于一个工作频率的接收子系统被报告存在时，发射子系统还能根据反馈将性能转换为多频率发射模式，供给不同的接收子系统并维持本系统所有能量链路的整体最优化。

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（101）、数字通信收发机前端（102）、射频滤波器阵列（103）、多频率载波信号发生器（104）、可变增益功率放大器（105）、射频功率分配器（106）、射频移相器阵列（107）、射频控制器（108）、双向耦合器（109）、发射天线阵、（110）和调制器阵列；

发射子系统中，基站/移动终端（101）提供原始的通信基带传输信号，经过数字通信收发机前端（102）处理后，原始的通信基带传输信号与多频率载波信号发生器（104）产生的载波信号将通过调制器阵列（126）原始的通信基带传输信号调制为基础的射频通信信号；基础射频通信信号经过射频滤波器阵列（103）滤去杂波成分，提高信噪比，然后经过可变增益功率放大器（105）加载能量，形成信号与能量复合的原始信号，这个信号/信号组经过射频功率分配器（106）、射频移相器阵列（107）后分为多个子信号，通过双向耦合器（109）的通道到达发射天线阵（110），并由发射天线阵（110）中的可变波束天线阵形成一个或者多个信号波束发射到自由空间；

发射子系统在发射同时具备能量和信号的复合信号时，发射天线阵（110）也从空间中接收由接收子系统传导来的反馈信号，这个反馈信号通过双向耦合器（109）的反向通道进入数字通信收发机前端（102）处理，并得到接收子系统的属性和性能报告，再传输到射频控制器（108）；射频控制器（108）根据报告产生第一、二、三控制逻辑（123、125、127），改变多频率载波信号发生器（104）、射频滤波器阵列（103）、可变增益功率放大器（105）、射频功率分配器（106）、射频移相器阵列（107）的性能，即达到初始化或自校正功能，从而调节发射波束的方向、载波的频率、发射功率大小，维持发射子系统与接收子系统之间链路传输性能的最优化。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收子系统包括接收天线阵（111）、定向耦合器（112）、复合采样器（113）、通信接收机（114）、谐波抑制器（115）、射频整流器（116）、直通滤波器（117）、能量管理器（118）、负载（119）、能量管理反馈控制器（120）、时隙控制器（121）和低功耗发射机（122），

在自由空间传输的复合信号由接收子系统的接收天线阵（111）传导接收；接收的复合信号进入复合采样器（113）进行采样，采样到的信号由通信接收机（114）处理，剩余的能量信号分别进入谐波抑制器（115）、射频整流器（116）、直通滤波器（117）转换为直流能量，并输出原始直流电压，通过能量管理器（118）进行储存管理后输入后级；

能量管理器（118）在管理输出的直流能量同时，把接收的直流能量状态传递给能量管理反馈控制器（120），时隙控制器（121）在初始工作时，把接收子系统的工作特性和初始接收性能打包成数据包，并通过低功耗发射机（122）转化为反馈信号，并通过定向耦合器（112）的反向通道，传递到接收天线阵；此时，接收天线阵（111）变为反馈信号发射天线阵，利用在周期中的一个短暂时隙的时间，把反馈信号发送到自由空间，被发射子系统的发射天线阵接收并解读，从而初始优化发射系统的发射性能。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，当接收子系统位置变化时，接收功率发生变化，往往使其工作状态产生偏差，从而脱离最优工作状态，此时，接收子系统同样通过低功耗发射机（122）和定向耦合器（112）的反向通道，把工作状态变化信息反馈到发射子系统，由发射子系统自适应地迭代调节射频移相器阵列，从而调节波束方向，直到接收子系统反馈重新进入最优工作状态区间为止。

5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，当存在多个接收子系统，且接收子系统工作在不相同的频段时，能够由接收子系统反馈对应的唯一编码信息与工作状态信息，由一个或多个发射子系统判断，产生多个载波阵列，同时供给空间内多个接收子系统工作。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述发射子系统能够扩展为多个，当接收子系统与某一个发射子系统发生阻隔时，接收子系统能够判断这个状态并反馈给多个发射子系统，由发射子系统分别调整各自的工作状态，直到接收子系统重新进入最优工作状态区间为止。