CN108667161A - 一种基于中继散射体的非视距无线功率传输系统及方法 - Google Patents

一种基于中继散射体的非视距无线功率传输系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于中继散射体的非视距无线功率传输系统及方法，涉及无线功率传输领域；其系统包括信号发生器，产生信道探测信号；受能终端，发射信道探测信号和接收反演信号；中继散射体，产生电磁波的干涉和衍射并形成二次辐射源，加强非视距条件下的受能端接收信号；时间反演模块，将非视距条件下信道探测信号进行反演使其成为具备空时聚焦特性的反演信号；功率放大器，放大反演信号的幅度并将其发送至供能终端天线；供能终端，接收非视距条件下的信道探测信号和发送反演信号；本发明解决了现有的基于时间反演技术的电波式无线功率传输在非视距条件下无法进行功率传输的问题，达到了实现非视距条件下无线功率传输且提高传输效率的效果。

Description

一种基于中继散射体的非视距无线功率传输系统及方法
技术领域
本发明涉及无线功率传输领域，尤其是一种基于中继散射体的非视距无线功率传输系统及方法。
背景技术
1988年，赫兹在验证麦克斯韦的波动性理论时，实现了电磁波的发射与接收，这是无线功率传输的启蒙实验；1989年，特斯拉率先提出了无线输能的概念，致力于实现全球无线输电，并且特斯拉的实验成功点亮了26英里外的2盏50瓦的电灯。2006年，美国麻省理工学院的Marin Soljacic教授开创性的提出了利用电磁场的谐振耦合来进行无线功率传输的概念，并成功的在距离2.1m的地方点亮了一个60W的灯泡。2008年，Bombardier公司研制出了一种应用于有轨电车和轻轨的无线输能系统。
随着社会的不断发展，电子设备在人们的生活中逐渐发挥着不可替代的作用，而电子设备通常都有一个共同的缺点：电池容量不高；因此人们常常需要携带与电子设备相匹配的充电器以达到及时充电的目的，因此无线充电的兴起可以很好的解决传统有线充电的问题。到目前为止，无线功率传输通常可以分为三大类：电磁感应式无线功率传输、耦合谐振式无线功率传输、电磁辐射式无线功率传输。(一)电磁感应式无线功率传输的主要原理是电磁感应，在初级线圈和次级线圈中放入不同的磁性物质，使得能量通过电磁感应由初级线圈传递到次级线圈，从而达到无线功率传输的目的；这种无线功率传输的方式多用于低频近场的环境中；(二)耦合谐振式无线功率传输主要是通过近场电磁场耦合进行能量传输，其主要原理是使得通过发射线圈和接收线圈的谐振频率相同，以产生共振，从而达到能量传输的目的，主要应用于高频近场的环境中；(三)电磁辐射式无线功率传输主要包括激光式、无线电波式等，电磁辐射式无线功率传输主要是指利用电磁波的远场辐射特性，发射端输送能量可以在远处的接收端接收到其发射信号，通过整流技术实现能量的接收，对负载端进行直流供电，从而达到无线输能的目的；电磁辐射式无线输能具有输能距离远，可多向定点输能等突出优势。
时间反演技术最初由Fink课题组在1992年应用于声学方向，引起了人们的广泛关注，并于2004年把时间反演的概念引入到电磁学的研究领域中。时间反演在时域上指对接收到的信号进行反转操作，也就是指在频域上的相位共轭，使得经过时间反演操作的信号具有空时同步聚焦特性。
对于现有无线功率传输系统来说，大部分无线功率传输系统研究的都是无线功率传输系统的效率和距离，且采用空气作为介质研究视距条件下无线功率传输的效率和距离；另一方面现有的无线功率传输的原理是通过电磁耦合产生的，电磁波遇到金属会反射，一旦有金属障碍物之后很难继续进行无线功率传输相关研究；基于时间反演技术的电波式无线功率传输方式，现有的研究都针对视距条件，对于非视距条件下的基于时间反演技术的电波式无线传输至今无人提出，因此如何实现非视距条件下的基于时间反演技术的无线功率传输是急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于：本发明提供了一种基于中继散射体的非视距无线功率传输系统及方法，解决了现有的基于时间反演技术的电波式无线传输在非视距下无法进行功率传输的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于中继散射体的非视距无线功率传输系统，包括
信号发生器，用于产生信道探测信号；
受能终端，用于发射信道探测信号和接收反演信号；
中继散射体，用于产生电磁波的干涉和衍射并形成二次辐射源，加强非视距条件下的受能端接收信号；
时间反演模块，用于将非视距条件下受能终端接收到的信道探测信号进行反演使其成为具备空时聚焦特性的反演信号；
功率放大器，用于放大反演信号的幅度并将其发送至供能终端天线；
供能终端，用于接收非视距条件下的信道探测信号和发送反演信号。
优选地，所述中继散射体采用形状大小相同、等距排列的均匀金属圆柱体。
优选地，所述均匀金属圆柱体半径r为4mm，高度h为100mm，间距d为20mm。
优选地，所述供能终端包括供能终端天线，受能终端包括受能终端天线。
一种基于中继散射体的非视距无线功率传输方法，包括如下步骤：
步骤1：受能终端发射信道探测信号S(t)；
步骤2：供能终端接收信道探测信号S(t)经由中继散射体散射后形成的接收信号H(t)；
步骤3：将接收信号H(t)进行反演和放大后得到信号C(t)送入供能终端；
步骤4：供能终端发送信号C(t)后，发送信号C(t)经由原信道转变为聚焦信号L(t)进行传输，受能终端接收聚焦信号L(t)完成非视距条件下的无线功率传输。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明设置特殊排列的无源中继散射体产生干涉和衍射，将信道探测信号经过中继散射体散射，使得中继散射体形成二次辐射源，把该信号进行传输后再进行反演和放大，确保其按原有信道传输，实现非视距条件下传输，产生的散射效果利于提高传输效率，解决了现有的基于时间反演技术的电波式无线传输在非视距下无法进行功率传输的问题，达到了实现非视距条件下无线功率传输且提高传输效率的效果；
2.本发明通过合理设置中继散射体、供能终端与受能终端之间的距离以及金属障碍物的位置，相比于没有中继散射体，在非视距条件下利用中继散射体进行无线功率传输的幅度提高一倍，从而传输效率提高，进一步实际生活应用的需求，应用场景更加广泛。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明的系统磁场强度分布图；
图3是本发明的方法流程图；
图4是本发明信道探测信号示意图；
图5是本发明发射天线接收信号示意图；
图6是本发明反演放大信号示意图；
图7是本发明有中继散射体时的接收信号示意图；
图8是本发明无中继散射体时的接收信号示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1-8对本发明作详细说明。
实施例1
受能终端包括受能终端天线，供能终端包括供能终端天线。
一种基于中继散射体的非视距无线功率传输系统，包括
信号发生器，用于产生信道探测信号；
受能终端天线，用于发射信道探测信号和接收反演信号；
中继散射体，用于产生电磁波的干涉和衍射并形成二次辐射源，加强非视距条件下的受能端接收信号；
时间反演模块，用于将非视距条件下受能终端天线接收到的信道探测信号进行反演使其成为具备空时聚焦特性的反演信号；
功率放大器，用于放大反演信号的幅度并将其发送至供能终端天线；
供能终端天线，用于接收非视距条件下的信道探测信号和发送反演信号。
中继散射体采用形状大小相同、等距排列的均匀金属圆柱体，均匀金属圆柱体半径r为4mm，高度h为100mm，间距d为20mm，金属材料采用铜；
干涉和衍射：当电磁波遇到障碍物时会偏离原来的传播方向继续传播，当相干波在空间某处相遇之后，因为相位不同，相互之间会产生干涉作用，电磁波之间会在空间中重叠，形成二次辐射源，让接收端更好的接收到电磁波，从而达到提高传输效率的目的；
时间反演是指运动的反演，在时间反演电磁学中，时间反演是指信号波形的反转；时间反演电磁系统包括：时间反演镜+接收终端，时间反演镜为探测与接收系统间的信道信息，并对接收的信号做时间反演变换，以补偿信号在复杂多径环境传输过程中所产生的延迟以及色散，已达到在接收终端获得聚焦信号的目的；时间反演变换的实现方法：基于离散化采样的数字信号处理技术，该方法可以直接对时域信号进行采样处理或通过将时域信号变换至频域进行相位共轭处理，再经傅里叶逆变换至时域，实现信号时间反演变换；典型的数字信号处理系统一般为：输入信号x(t)-模数转换设备-数字信号处理系统-数模转换设备-输出信号x(-t)；简单来说为信号经过空气中特定的一条信道发射出去，然后将这个信号进行反演，其会沿着原来的信道回去，接收端可以接收到聚焦信号；信号放大即把信号等比例进行放大后再进行归一化。
本发明增设无源中继散射体，将信道探测信号经过中继散射体衍射进行传输即非视距条件下传输后再进行反演和放大，确保其按原有信道传输，散射体的特殊排列产生干涉和衍射，产生的衍射效果利于提高传输效率，实现了在非视距条件下进行电波式无线功率传输的目的。
实施例2
接收端天线发射信道探测信号S(t)，信道探测信号S(t)为正弦信号，如图3所示；发射端天线接收信道探测信号S(t)经由中继散射体衍射后形成的接收信号H(t)，如图4所示；将接收信号H(t)进行反演和放大后得到信号C(t)，如图5所示，送入发射端天线；发射端天线发送信号C(t)后，发送信号C(t)经由原信道转变为聚焦信号L(t)进行传输，接收端天线接收聚焦信号L(t)完成非视距条件下的无线功率传输。
如图2所示，供能终端天线发射出来的电磁波即图中左部分经由中继散射体即图中空心圆的散射作用之后，电磁波在中继散射体周围发生重叠，形成二次辐射源；同时，由于时间反演的作用，使得电磁波沿着原来的信道进行传播，在受能终端接收到较强的电磁波即图中右部分，从而达到无线功率传输的目的；如图6-7所示，没有中继散射体存在时，接收端天线接收到的聚焦信号的幅度最大值为L2(t)＝0.04；有中继散射体存在时，接收端天线接收到的聚焦信号的幅度最大值为L1(t)＝0.08，L1(t)＝2*L2(t)，表明有中继散射体存在时信号幅度提高一倍，信号的幅度表示接收到的电磁场强度大小，其电磁场强度大小与传输效率呈正相关，因此本系统的传输效率对应提高了；解决了现有的基于时间反演技术的电波式无线传输在非视距下无法进行功率传输的问题，达到了实现非视距下无线功率传输且提高传输效率的效果。
实施例3
中继散射体还可采用其他可反射电磁波的金属材料。

Claims (5)

1.一种基于中继散射体的非视距无线功率传输系统，其特征在于：包括
信号发生器，用于产生信道探测信号；
受能终端，用于发射信道探测信号和接收反演信号；
中继散射体，用于产生电磁波的干涉和衍射并形成二次辐射源，加强非视距条件下的受能端接收信号；
时间反演模块，用于将非视距条件下受能终端接收到的信道探测信号进行反演使其成为具备空时聚焦特性的反演信号；
功率放大器，用于放大反演信号的幅度并将其发送至供能终端天线；
供能终端，用于接收非视距条件下的信道探测信号和发送反演信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于中继散射体的非视距无线功率传输系统，其特征在于：所述中继散射体采用形状大小相同、等距排列的均匀金属圆柱体。
3.根据权利要求2所述的一种基于中继散射体的非视距无线功率传输系统，其特征在于：所述均匀金属圆柱体半径r为4mm，高度h为100mm，间距d为20mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于中继散射体的非视距无线功率传输系统，其特征在于：所述供能终端包括供能终端天线，受能终端包括受能终端天线。
5.一种基于中继散射体的非视距无线功率传输方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：受能终端发射信道探测信号S(t)；
步骤2：供能终端接收信道探测信号S(t)经由中继散射体散射后形成的接收信号H(t)；
步骤3：将接收信号H(t)进行反演和放大后得到信号C(t)送入供能终端；
步骤4：供能终端发送信号C(t)后，发送信号C(t)经由原信道转变为聚焦信号L(t)进行传输，受能终端接收聚焦信号L(t)完成非视距条件下的无线功率传输。
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