CN108702030A - 使用电磁波对准的改进的无线能量传递 - Google Patents

使用电磁波对准的改进的无线能量传递 Download PDF

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CN108702030A CN201780010460.4A CN201780010460A CN108702030A CN 108702030 A CN108702030 A CN 108702030A CN 201780010460 A CN201780010460 A CN 201780010460A CN 108702030 A CN108702030 A CN 108702030A
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罗尼·埃夫丽尔多·阿马娅
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Abstract

一种用于改进的无线能量传递的方法包括：使具有基频的第一能量波束朝着可激励设备转向。所述第一能量波束由第一功率接入点(PAP)的多个偏振器形成。通过在第一PAP的每个偏振器处将相应的第一极化信号与相应的第二极化信号组合，在可激励设备处将第一能量波束的第一极性与第二能量波束的第二极性对准，所述第二能量波束具有基频并且由第二PAP形成，所述第二PAP与第一PAP物理分离并且具有与第一PAP的无线连接。所述相应的第二极化信号是通过旋转相应的第一极化信号形成的。所述第二PAP经由无线连接接收PAP信号并根据PAP信号本地产生基频。

Description

使用电磁波对准的改进的无线能量传递
相关申请的交叉引用
本申请是实体申请，要求以下申请的优先权：2016年2月9日提交的序列号为62/292,926、题为“相量分解”的共同未决美国临时申请，2016年2月9日提交的序列号为62/292,933、题为“切换波束极化对准”的共同未决美国临时申请，2016年2月9日提交的序列号为62/292,938、题为“接收器位置确定”的共同未决美国临时申请，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及无线能量传递，更具体地，涉及用于使用电磁波对准来无线传递能量的有效系统和方法。
背景技术
便携设备的处理和互联能力的提高导致这些设备的能耗也对应提高。而且，关于便携设备能存储多少能量也存在实际物理限制，因此使这些设备的频繁充电成为必要。给便携设备供电的有线方法是有局限性的，部分原因在于缺少在供电线和设备之间的连接器的标准、充电线的重量和可靠性、操作环境的约束(例如水下或危险区域)以及有线方案给移动性带来的普遍制约。
便携设备的无线充电以前被诸如电感或电容耦接的近场技术局限于近距离(例如在厘米量级上)。使用激光或微波波束的远场技术牵涉到危险的高功率电平，特别是在有人的环境下。激光和微波波束还典型地局限于瞄准应用。
便携设备能力的改进还帮助实现了物联网(IoT)环境，在物联网环境下设备的大型密集分布可以集中共享信息。然而以前的解决方案在IoT环境下有效给设备供电的能力方面受限，IoT环境下设备需要移动性并且具有明显不同的功耗需求。类似地，射频识别(RFID)标签的使用的增加需要一种有效的方式在移动环境下为设备供电，而不是有线的，不使用危险的高功率电平，也不会给用于给RFID标签充电的充电站的更换带来过度的约束。
发明内容
将认识到，本文描述的实施例包括至少以下实施例。在一个实施例中，一种用于无线能量传递的改进的系统包括：第一功率接入点PAP，被配置为将第一能量波束定向到可激励设备。所述第一能量波束具有基频和第一极性。第二PAP与第一PAP物理分离，并且具有与第一PAP的无线连接，所述的第二PAP配置成将第二能量波束定向到可激励设备。所述第二能量波束具有基频和第二极性。所述第一PAP的多个偏振器被配置为形成定向到可激励设备的第一能量波束，并且在可激励设备处将第一极性与第二极性对准，其中第二PAP被使能为经由无线连接来接收PAP信号，并且还被使能为根据PAP信号本地产生基频。
一种用于无线能量传递的改进的系统的可替换实施例包括以下特征之一或其任意组合。每个偏振器包括：贴片天线，包括介于谐振板与接地板之间的介电基板，所述贴片天线包括第一馈点和第二馈点；第一可变增益放大器(VGA)，与第一馈点相连，并且被配置为调节信号的第一幅度；第一移相器，在信号与第一VGA之间，并且被配置为调节信号的相位；以及第二VGA，与第二馈点相连，并且被配置为调节信号的第二幅度，所述贴片天线控制信号的偏振。所述第一移相器被配置为在从负90度到正90度的范围上使信号的相位移位。第二移相器在信号与第二VGA之间，其中第一移相器和第二移相器两者产生在从负90度到正90度范围上的信号相位的组合移位。所述多个偏振器的数量可被2整除，并且每个偏振器利用怀特(Wight)跨接结构连接到天线信号。所述偏振器的数量是4，并且包括：第一跨接设备，耦接到第一对偏振器；第一对混合耦合器，耦接到第一跨接设备和第二对偏振器；第二跨接设备，耦接到第一对混合耦合器；第二对混合耦合器，耦接到第二跨接设备和第一对混合耦合器；开关，耦接到第二对混合耦合器；以及主机移相器，耦接在天线信号与开关之间。第一极性是以下之一：垂直、倾斜、水平、圆、椭圆和斜椭圆。PAP从可激励设备接收到的接收信号强度指示符被用来优化第一极性与第二极性的对准。优化对准使用相量解析方法。
在另一实施例中，一种用于改进的无线能量传递的方法包括：使具有基频的第一能量波束朝着可激励设备转向，所述第一能量波束由第一功率接入点(PAP)的多个偏振器形成；以及通过在第一PAP的每个偏振器处将相应的第一极化信号与相应的第二极化信号组合，在可激励设备处将第一能量波束的第一极性与第二能量波束的第二极性对准，所述第二能量波束具有基频并且由第二PAP形成，所述第二PAP与第一PAP物理分离并且具有与第一PAP的无线连接。所述相应的第二极化信号是通过旋转相应的第一极化信号形成的。所述第二PAP经由无线连接接收PAP信号并根据PAP信号本地产生基频。
一种用于改进的无线能量传递的方法的可替换实施例包括以下特征之一或其任意组合。第一PAP的每个偏振器将旋转后的第一极化信号与相应的第二极化信号组合，所述第二极化信号具有与旋转后的第一极化信号不同的旋转度。基于可激励设备接收到的接收信号强度指示符(RSSI)来优化第一极性与第二极性的对准。所述对准使用相量解析方法。所述第一能量波束和第二能量波束都顺序地从所述可激励设备移动到另一个可激励设备，并且通过所述另一可激励设备接收到的另一RSSI来优化所述对准。通过最大化来自所述可激励设备和所述另一可激励设备中每一个可激励设备的最小RSSI，针对所述可激励设备和另一可激励设备同时优化所述对准。
在另一实施例中，一种用于改进的无线能量传递的方法包括：将多个能量波束转向可激励设备。每个能量波束具有基频。每个能量波束由相应的具有多个偏振器的功率接入点PAP形成。每个PAP与另一个PAP物理分离并且具有与所述另一PAP的无线连接。PAP之一经由无线连接接收PAP信号并且根据PAP信号本地产生基频。在可激励设备处，通过在每个相应的PAP的每个偏振器处将相应的第一极化信号与相应的第二极化信号组合来对准每个能量波束的极性。所述相应的第二极化信号是通过旋转所述相应的第一极化信号而形成的。将包括多个可激励设备的平面区域划分为多个子空间。每个子空间由来自所述多个能量波束中相应的一个能量波束的能量波束位置来限定。在子空间内沿着扫描路径扫描相应的一个能量波束，以通过检测所述多个可激励设备中至少一些可激励设备中的每一个可激励设备处接收能量的变化，来检测所述多个可激励设备中至少一些可激励设备的存在。所述多个设备中的至少一些包括接收设备以及相邻设备和基准设备中的一个或多个。所述基准设备在所述平面区域内具有预定的位置。通过寻找每个相邻设备相对于接收设备位置而言的相对位置，来确定连接映射图。内插接收设备以及相邻设备相对于基准设备的物理位置。
一种用于改进的无线能量传递的方法的可替换实施例包括以下特征之一或其任意组合。在相应的一个能量波束的一个波长内确定接收设备的位置。通过顺序地去激活一个能量波束并由于接收设备处接收能量的减小来检测接收设备的存在，将每个子空间划分成更小的空间。通过顺序地去激活两个物理上相邻的能量波束并由于接收设备处接收能量的减小来检测所述两个物理上相邻的能量波束之间接收设备的存在，将每个子空间划分成更小的空间。通过旋转所有能量波束的极性并由于接收设备处接收能量的减小来检测接收设备的存在，将每个子空间划分成更小的空间。
附图说明
本发明以示例的方式示出，而不受附图限制，附图中相似的参考标记指示类似的元素。图中的元素是为了简单清楚而示出的，而不必按比例绘制。
图1是根据本公开实施例的用于无线能量传递的改进系统的示意图。
图2是控制模块的功能框图。
图3是用于调节功率接入点相位的时序的图形表示。
图4是用于相量分解的伪码的流程图表示。
图5是可控斜线性偏振器的实施例的示意图。
图6是使用切换波束的波束操控的实施例的示意图。
图7是产生连接映射图的方法的流程图表示。
图8是根据本公开实施例的改进的无线能量传递的方法的流程图表示。
图9是根据本公开实施例的改进的无线能量传递的方法的流程图表示。
具体实施方式
本文描述的系统和方法的实施例对于从多个功率接入点(PAP)(也称作发射器)向至少一个可激励设备(也称作所施加功率的接收器，或RAP)的远距离无线能量传递提供了改进。在一个示例中，可激励设备是射频识别(RFID)标签。当设备能够从远距离无线能量传递中接收所辐射的EM波来提供用于设备操作的能量时，认为该设备是可激励的。
在多种实施例中，通过使多个能量波束的频率在可激励设备的接收能量的点(例如天线)处相干，在远距离、以低传输功率或者二者皆有地实现无线能量传递。无线能量传递还包括以下至少一个：使能量波束的相位相干以及使能量波束的极性相干。对无线能量传递的各种改进得自于本文描述的技术，包括以下改进之一或其任意组合。
在多种实施例中，通过以下方式改进无线能量传递：执行相量分解以快速确定从每个可激励设备处的每个PAP贡献的幅度、相位和极性。因此，在一些实施例中，使能量波束相位和极性中的至少一个与能量波束的频率相干(例如对准)所需要的时间可以减少10,000数量级，从而实现了实时能量波束对准而无需迭代。实时能量波束对准使RFID标签能具有“瞬间启动”性能并且随着标签移动保持以优化电平被供电。在一个实施例中，随着标签移动实时跟踪每个标签的位置。
在其他实施例中，以切换波束选择而不是波束转向来执行极化对准。相控阵方法执行较快的波束转向，超过了功率传递应用所需要的，代价是增加的成本和复杂度。通过将切换波束选择用于功率传递，增加了PAP传送的功率，并且减少了多路径问题。
在其他实施例中，通过以下方式改进能量传递：确定多个传感器标签的位置，而不管是否存在多路径失真。创建了连接映射图，所述连接映射图包括RFID标签相对于具有预设位置的RFID参考设备的位置。通过检测被扫描能量波束照射的对应RIFD标签处的接收信号电平的变化来确定连接映射图。其他方法也被采用来改进连接映射图的分辨率，包括将能量波束选择性地去激活并旋转能量波束的极性。
参考图1，用于无线能量传递的系统的实施例10给“物联网”(IoT)12提供能量(例如“功率”)，所述物联网(IoT)包括例如移动电话14a、平板电脑14b、智能手表14c、立体声系统14d和计算机14e。可激励设备14a至14e(统称14)仅仅例证性的，不应认为制约了会包括IoT 12的潜在设备。在一个示例中，设备14全都是相同类型的。在另一示例中，设备14是诸如RFID标签之类的低功率设备。在另一示例中，设备14是诸如电动轮椅之类的高功率设备。多种实施例将IoT 12替换成不需要彼此关联也不需要彼此通信的一个或多个设备14。
IoT 12的设备14从多个PAP 16a、16b和16c(统称16)接收能量。每个PAP 16a、16b和16c发射对应的能量波束18a、18b和18c(统称18)，其中每个能量波束具有至少一个EM波。至少两个能量波束的EM波中的每一个被定向(例如聚焦)在设备14之一的接收位置，以优化这一个设备接收的能量。通过将聚焦于接收位置的每个能量波束的每个EM波的相位和极性之一以及频率这两者进一步对准，形成相干能量泡20a。在本公开的上下文中，提到对准能量波束的频率、相位或极性应当理解为意味着在每个能量波束内以及在能量波束之间对准(或相干)EM波。
为了例证清楚，图1中的相干能量泡20a被示出在IoT 12环境旁边，并由三个能量波束18形成。实践中，每个相干能量泡由至少两个能量波束形成，并且聚焦于设备14之一上的点(例如接收天线)处，以最大化这一个设备的接收功率。在一个实施例中，形成多于一个相干能量泡，其中每个相干能量泡聚焦于不同的设备上。在另一实施例中，若干设备之间在时间上共享至少一个相干能量泡。
PAP 16向可激励设备14传输足够能量水平的距离22部分地取决于设备14需要接收的所需功率、用于形成相干能量泡的能量波束18的数量、每个能量波束18的功率限制(例如由于基于针对生物体的安全操作电平的FCC限制)、以及传输能量的传输介质的吸收特性。
在一个实施例中，通过经过通信介质24的通信来调节每个能量波束18传送的能量。通信介质24将IoT 12中的一个或多个设备14通过路径28连接到PAP 16a、16b和16c中的一个或多个，并通过响应的路径26a、26b、26c和26d(统称26)连接到控制模块30。在多种实施例中，通信介质24是诸如背板之类的物理结构。在其他实施例中，通信介质24是能量波束18使用的相同介质。在一个示例中，通信介质是空气(例如地面环境)。在另一示例中，通信介质至少是部分真空的，如在轨道高度或太空中那样。在另一示例中，通信介质是淡水或盐水。
设备14与PAP 16之间的通信用于优化(例如最大化)从PAP 16向设备14的能量传递。例如，将每个波束18朝着一个或多个设备定向(例如转向)，以最大化对应设备处的接收能量水平，如同从所述对应设备向PAP 16中的至少一个通信的。类似地，PAP 16调节每个能量波束18的相位，以最大化对应设备处的接收能量水平。在一些实施例中，还使每个能量波束18的极性对准，以最大化对应设备处的接收能量。经由路径26和28并且通过介质24的通信包括例如以下标准中一个或多个的使用：IEEE 802.3以太网标准、一个或多个IEEE802.11标准、一个或多个标准、一个或多个IEEE 802.15.4示准、专有通信协议、任何有线或无线通信协议或前述各项的任意组合。
图2示出了图1的控制模块30的功能框图。控制模块30包括相量分解模块32、切换波束极化对准模块34以及接收器位置确定模块36。在一个实施例中，控制模块30的每个模块是以电路来实现的。控制模块30的多种实施例包括相量分解模块32、切换波束极化对准模块34以及接收器位置确定模块36中的一个或多个，以实现本文描述的对应功能。
相量分解方法(PDM)：
本文描述的相量分解方法(PDM)减少了以迭代方法(例如梯度上升)为典型的相位调节的次数。相比于迭代方法，对于每个PAP分别针对10至100个传感器标签的情况，为了实现向可激励设备(例如传感器、标签或电池)传递的优化功率所需要的时间上的改进在1000至10000倍数量级上。非常快的信息传输(例如小于100us)从可激励设备向一个或多个PAP或者向控制PAP的其他设备发送，所述信息包含了在每个可激励设备位置处接收到的来自每个PAP的相量贡献。传输速度受到PAP与可激励设备之间的通信带宽以及(例如在时域、频域或空间域)可用通信信道数量的限制。这种相量信息还可以用于传感器标签的动态定位，或者用于检测在PAP与可激励设备之间的通信路径上人的运动。动态定位在变化的环境(例如人走路或传感器移动)、繁忙的仓库、工业设置(例如具有传送带的工业设置)、咖啡店、商店、房子或办公室中是特别有益的，并且可以用来帮助符合排放标准。
利用PDM，实现所有传感器标签位置处的优化功率所需要的时间(Topt)是Topt＝4*N*Ts+Tcomm，其中N是PAP的数量，Ts是相位/极化更新率(例如2us至50us)，Tcomm是通信信道更新率(例如1ms-100ms)。相比之下，诸如梯度上升(例如爬山法Hill Climbing)之类的迭代方法需要多次迭代来寻找最大值，使得Topt在20*H*(N+1)*(Ts+Tcomm)至100*H*(N+1)·(Ts+Tcomm)的数量级上，其中H是每个TX的传感器数量，因子20和100是为了达到优化所需的迭代次数。此外，不能保证由梯度上升方法导出的优化功率不是局部最优的。
PDM是一种用于在没有因迭代而引起延迟的情况下获得针对每个可激励设备从每个做出贡献的PAP传输的EM波的相量的幅度、相位和极化矢量相位的方法，(所述延迟受限于同时通信信道的数量)。每个传感器标签位置处的射频(RF)功率信号是除了噪声以外还有来自于多个PAP源的多个波的瞄准、反射和衍射的组合。
PDM的描述使用如下通用假设和术语。功率接入点(PAP)是辐射出RF能量的位置。可激励设备是接收所辐射的RF能量的设备(例如RFID传感器标签)。可激励设备还指的是所施加功率的接收器(RAP)。出于PDM计算的目的，假定在相位调节时段每个PAP相对于彼此的相位精度(例如由于漂移而引起)小(例如＜30°)，所述相位调节时段在实践中在1ms至100ms的范围上，但是可以小到几微秒以及大到许多秒，取决于所使用的同步类型以及得到的相位精度。
术语“相位”指的是2D相量或“相量”的相位。术语“相量”指的是由复数或极坐标系中的一对矢量坐标表示的二维(2D)相量，如贯穿本公开所使用的。通常，相量可以在任何其他坐标系中表示。术语“3D相量”指的是通过将每个正交EM波极化处的两个2D相量相加而形成的三维(3D)矢量。由于EM极化通常是“极化矢量”，所以EM波可以被分解成两个连续的正交极化(例如垂直/水平)，每个具有独立的2D相量(例如幅度和相位)。在这种情况下幅度可以是极化矢量的幅度，(例如与连续的2D矢量相同的幅度)，而极化矢量的相位是3D相量(极化角)的(额外)第三维度(例如90度极化角对应于圆极化)。
RSSI读数是平均功率的读数，所述平均功率是对至少几个周期的基本(中心或载波)频率求平均的，比如915MHz。由于相位调节期间占用的带宽窄，假定可以将从任意PAP向任意可激励设备的传播通道建模为复常数，并且针对每个PAP将每个可激励设备位置处得到的相量乘以复常数，从而得到每个PAP的通道常数与PAP的相量的乘积和。
关于衰减减轻，如果期待显著的衰减，则可以减小相移更新率以将占用的带宽减小到使衰减损耗在阈值以下的点。除了增大相位调节时段以外，还可以调节中心频率。这两种方法中的任何一种都可以利用来自可激励设备的反馈来执行。例如，如果可激励没备处于破坏性地添加来自一个或多个PAP的波(与3D相量无关)的位置处，那么可以调节中心频率，直到可激励设备开始响应，或者直到所报告的RSSI得到改善。
与爬山法不同，PDM在最简单情况下涉及针对每个做出贡献的相量(最后一个除外)相对某个初始相位将相位调节90°和180°。选择90°/180°相移主要是为了易于计算，也是为了实现更大程度的由量化和其他噪声引起的方程独立性(例如正交性)，所述其他噪声对于小角度变化会更强。
利用PDM，相量和可以用单一相量以及其余相量的和来表示。这一个相量的相位被调节90、180度，产生三个方程(0°、+90°、180°)和三个未知数，据此计算出该单一相量的相位和幅度。尽管解出的相位是在单一相量与其余相量之和之间的相位，而不是总和相量，(总和相量是常数)。然后执行附加计算步骤以将其转换成相对于相量总和的相位。将该过程重复N-1次以得到所有独立相量分量的幅度和相位(最后一个相量是无关紧要的，因为和是已知的并且其余相量是已知的)。然后通过将所有相位同时调节到优化配置来“一次地”优化所得到的具有幅度和相位的相量的组合。该过程具有另外的优点是一次得到了所有传感器位置处的全部相位和幅度(只要它们接收到足够的功率，并且考虑到通信信道的时分复用特性)。
以特定的时间间隔，PDM顺序调节来自每个PAP的信号的相位。对于每个PAP，在两个极化方向中的每一个方向上将相位调节0°、90°、180°，(例如总计6个相位/极化值)，或者具有充分差值的其他六个角度(其他角度可以分解成0°和90°角)，而其余PAP的相位/极化保持在0°并且具有固定的(预定的)极化。针对群组(或子集)中的每个PAP重复该过程。在一些实施例中，基于PAP彼此间的接近度以及与可激励设备的接近度来为每个PAP指派针对相位变化的时隙，以改进接近最优的相量组合的时间间隔。
在可激励设备检测到RSSI的特定跳跃时，可激励设备记录每个可激励设备处得到的RSSI读数，所述RSSI读数与每个PAP处的相位/极化变化相对应。将针对所有PAP在两个极化中的每一个极化处对应于0°、+90°、+180°相位变化的该RSSI读数的矢量发送到PAP，PAP将RSSI变化与相位变化相关。在另一实施例中，通过与主机同步或者通过基于其他信息(例如来自PAP的通信；相位跳跃期间的杂散发射)预测PAP相位调节时间，基于PAP之间的同步来开始RSSI测量。
在接收到来自所有传感器的RSSI矢量之后，PAP然后对于获得每个做出贡献的PAP(包括其自身和其他附近的PAP)的相量所必须的方程求解。也可以由传感器标签来确定时隙边界(例如通过观测RSSI变化或SYNC信号)，和/或求解方程并返回答案以减小传感器标签发送的有效载荷的数据量(更快，更低能耗)，或者传感器标签可以等待来自主机PAP的同步分组并计算希望发生相位改变的确切时间。
图3示出了用于调节三个PAP的相位的PDM的示例实施例，包括主机PAP、从属1PAP、从属2PAP以及多个可激励设备(例如传感器标签)之间的信号传递。具体地，示出了关于同步(Sync)、RSSI读数和相位调节的流事件。进行总计六次PAP相位调节，包括针对两个极化中每一个极化的0度、90度和180度(例如总计六次调节)。
在多种实施例中，图3的PDM执行两次，分别针对两个相量极化中的每一个。在一个实施例中，在不需要极化对准的情况下，仅执行一个PDM周期。对于每个极化，PDM周期以主机PAP传输的同步(Sync)脉冲50开始，分别被第一可激励设备(从属1)和第二可激励设备(从属2)接收为Sync脉冲52和54。针对来自主机、从属1和从属2的传输选择极性。在56、58和60处，主机PAP基于来自先前PDM周期的相量分解计算，顺序地调节分别针对主机、从属1和从属2的相量。在62、64和66，主机PAP传输分别具有0度、90度和180度相位调节的相量，而从属1PAP和从属2PAP的相位调节保持在0度。在每个可激励设备处针对主机PAP传输的三个相位中的每一个测量RSSI等级。在68，将从每个可激励设备确定的RSSI传输到用于执行后续相量分解计算的设备，所述RSSI值与每个PAP(例如主机、从属1和从属2)的时隙62、64和66的每个相位相对应。在一个实施例中，接收多个RSSI值的设备是主机PAP。
在72、74和76，从属1PAP传输分别具有0度、90度和180度相位调节的相量，而主机PAP和从属2PAP的相位调节保持在0度。在每个可激励设备处针对从属1PAP传输的三个相位中的每一个测量RSSI等级。在78，将从每个可激励设备确定的RSSI传输到用于执行后续相量分解计算的设备，所述RSSI值与每个PAP(例如主机、从属1和从属2)的时隙72、74和76的每个相位相对应。在一个实施例中，接收多个RSSI值的设备是主机PAP。
在82、84和86，从属2PAP传输分别具有0度、90度和180度相位调节的相量，而主机PAP和从属1PAP的相位调节保持在0度。在每个可激励设备处针对从属2PAP传输的三个相位中的每一个测量RSSI等级。在88，将从每个可激励设备确定的RSSI传输到用于执行后续相量分解计算的设备，所述RSSI值与每个PAP(例如主机、从属1和从属2)的时隙82、84和86的每个相位相对应。在一个实施例中，接收多个RSSI值的设备是主机PAP。随后，对于需要极化对准的实施例，针对第二极化而重复PDM周期。
图4是用于相量分解的伪码的流程图表示。极化对准计算开始于以下三个方程，所述三个方程分别表示具有零相位调节、90度调节和180度调节的相量：
通过重新整理方程[1]、[2]和[3]，推导出以下方程[4]和[5]，由此确定相位角和幅度A1：
在方程[1]、[2]、[3]、[4]和[5]中，S2N表示除了相量1以外全部相量的和；S1N0、S1N90和S1N180分别表示当相量1处于初始状态时(零相位调节)、当相量1旋转90度时以及当相量1旋转180度时的相量总和；表示相量1与S2N之间的相位角；β0表示相量1与相量总和S1N之间的相位角。在利用方程[4]和[5]确定了相位角和幅度之后，针对除了最后一个相量以外的另一相量重复该过程，所述最后一个相量可以根据先前相量计算出来。总计有1+2*(N-1)次RSSI测量和相位调节。
PAP同步和主机选择方法：
在一个实施例中选择单一主机PAP。在另一实施例中，没有主机PAP，而是在PAP之间出现协作以执行频率调谐。
在一个实施例中，采用使用SYNC、时间戳消息的基于通信信道的同步，最佳主机是能够以较低的错误概率(例如最高通信信道信噪比(SNR)或最低干扰)向所有PAP传送Sync消息的那个PAP。在一个实施例中，使用单独RF频率来同步PAP，需要在Sync RF频率上的最高SNR。
PAP之间同步的示例实施例包括以下中的一个或多个：无线实施例，包括PAP与可激励设备之间的光学(例如红外)通信信道，使用荧光灯(无源)的100/120Hz谐波之一，并且从主机发送脉冲或调制信号。无线实施例，包括PAP与可激励设备之间的声学通信信道，其中主机发送声音或调制信号，或者使用已知信号(例如120Hz humming)的外部源。无线实施例，包括PAP与可激励设备之间的射频(RF)通信信道，其中主机PAP发送连续波(CW)波或调制信号，其他PAP与所述CW波或调制信号同步。
实施例包括分布式系统，其中每个PAP与其他PAP交换定时分组或(CW突发)，并将它们相应的时钟调节到平均值，所述平均值是最终收敛的。主机PAP使用已知信号的外部源，包括荧光灯或变压器的100/120Hz或谐波、来自路由器的Wi-Fi(定时)信号、蜂窝电话信号或者来自蜂窝电话塔的定时信号、或GPS/Glonass，(没有主机，但是每个PAP处有外部天线)。
在PDM系统的一个实施例中，辐射性发射用于同步，包括外部源(例如烟雾检测器)或开环同位素定时设备(例如铯原子钟)。在有线系统的一个实施例中，使用已有的AC电力线通过锁定到50/60Hz或其谐波来实现同步。在另一实施例中，主机通过电力线发送Sync分组。在具有PAP分布式系统的另一实施例中，每个PAP交换定时分组(例如经由电力线使用以太网，或者利用负载调制)。在有线系统的另一实施例中，一个或多个PAP使用USB、RS232或以太网。在有线系统的另一实施例中，一个或多个PAP使用具有单音或调制信号的专用同轴线缆或类似的单线。在有线系统的另一实施例中，一个或多个PAP使用导波传播(例如在干墙或风道中的表面波)。
PAP与主机的同步：
假定部署是已知的(例如IP网络拓扑、PAP集群化)并且主机是被手动指派的或者是通过算法指派的。在Wi-Fi和类似协议的情况下，存在网络发现操作阶段(例如在启动时以及每X秒一次)，以获得集群内连接的PAP的MAC和/或IP地址。在多种实施例中，将针对特定部署的可能MAC地址的已知列表编程到每个PAP中。在另一实施例中，还存在到路由器的Telnet/SSH，获得ARP表格并寻找与PAP对应的MAC地址范围，适当注意安全问题。在已知已连接的PAP MAC和/或IP地址的列表之后，PAP彼此通信，(在一个示例中每Y秒)。
存在许多种不同类型的交换信息，比如，例如基于Wi-Fi的粗糙SYNC、PAP_MASTER_RSSI表格、PAP_table(短/长版本)、同步消息、用户消息(用户至/自PAP传感器)、状态和配置。
如果主机不是手动选择的，在启动期间或者在PAP集群网络上发现了新的PAP时，发起主机选择算法，(可选地将其他任务挂起)。在用于主机选择的一个示例技术中，一个接一个地尝试将集群中的所有PAP作为主机，(例如通过使用MAC地址分类或IP地址分类)。对于每个候选PAP，将候选的通信(例如comm)信道设置成TX，而将其他PAP设置成RX。候选经由通信信道广播的任何消息(理想是同步消息，以减少同步时间)以及该消息的RSSI由所有非候选PAP测量，(从基于Wi-Fi的粗略同步开始以预定的时间间隔，所述时间间隔刚好在路由器的延迟波动内，比如1秒)。集群中的每个PAP针对每个候选填写PAP_MASTER_RSSI表格(候选ID、来自候选的RSSI)。在主机试验结束时，每个PAP具有针对每个可能主机的RSSI表格。PAP通过Wi-Fi网络或其他通信信道交换这些表格。由于每个PAP具有相同的表格集合，所以做出关于谁应当是主机的(相同)决定。由于假定最佳主机是向集群中所有其他PAP提供最低错误概率SYNC消息的那个PAP，所以PAP_MASTER_RSSI表格中最小RSSI的最大化是一个这样的选择，而其他选择应当是加权目标函数的最大化，比如如果minRSSI＞阈值，则Score＝TotalRSSI*W1+minRSSI*W2，如果minRSSI＜阈值，则Score＝minRSSI*W3。集群化也优选地在该点进行，基于通信信道连接映射图和minRSSI值来选择每个集群的主机：添加主机直到minRSSI在阈值以上。例如，如果有具有20个PAP的仓库，并且主机在中间，主机可以覆盖其中15个PAP，但是边缘的PAP可能接收不到同步信号。为了修正这个，增加主机的数量，并且尝试再次优化minRSSI，直到minRSSI在阈值以上。
所有PAP_MASTER_RSSI表格，并排的，用于选择一个主机(只有表格中的三角部分是唯一的，没有对角线)。
在首次选择了主机之后，主机发送同步信号，其他PAP同步各自的时钟。主机以预定的准确间隔发送连续的同步消息，所述时间间隔比如是1s至5s(对于1ppb/s XTAL)，导出自主机的高稳定性恒温晶体振荡器(OCXO)(例如在一个原型中使用＜1ppb/s&10ppb/day漂移OCXO)。其他PAP节点计算时间差并且比较所述时间差(高确定性的链条、同步分组RX上的高优先级终端、基于OCXO时钟的基于MCU的计数器)，所述时间差应当是同步间隔相对于它们自己的OCXO的时间。在PAP计算时间差之后，PAP计算它们自己的OCXO相比于主机的OCXO的相对频率移位，并调节OCXO调谐(根据查找表)+反馈+漂移估计。由于PDM算法对于每个PAP来说非常快(例如10us-1ms)，即使有OCXO漂移，在10us至1ms期间的相位不会有显著变化。例如在未调节的＜1ppb/s漂移处，相位改变在8*1ms内(8个PAP)大约小于2deg。但是在没有相位迁移的时间期间(针对优化功率传送的相位)，10ms至1s，相位将移位一定量，移位量取决于同步间隔和优化功率间隔。可以通过适当改变同步和优化功率间隔来减小该移位量(例如，1秒同步时段Ts，100ms优化功率时段Topt：＜18deg最大误差，平均值要小得多)。
没有主机的情况下PAP的同步：
类似于主机选择过程，在一个示例技术中，尝试将每个PAP作为主机，并且由每个PAP填充PAP_MASTER_RSSI表格，但不是如前述一样是在集群中，而是基于部署中的所有PAP。与每个集群单一主机的方法不同，在这种情况下，主机试验过程每100ms执行2s(不仅仅是在启动时或者在添加新的PAP时)。连同主机候选ID，来自候选的RSSI，针对每个候选计算OCXO(恒温晶体振荡器)频率差。计算并应用OCXO频率差的平均值。针对每个PAP重复该过程。随着时间过去，OCXO将达到全局平均值，相同的频率。例如，两个单独的PAP集群，在后续阶段在二者间添加了一个PAP，每个集群的平均值是独立的并且稳定的，但是在中间添加PAP将把中间PAP的初始值设置成两个集群的平均值，同时对这两个集群施加了小的压力使得这两个集群的平均值缓慢地朝着中间PAP移动，并且最终系统将均衡。该过程比具有一个主机的情况要慢得多，但是如果PAP形成确定性低漂移网状网络，则可以显著加快，从而避免基于通信信道的集群化，并且以Nsync间隔与总体平均值同步，其中N是网状网络深度或者最大跳数。相比于每集群有主机的方法，在网状网络情况下达到同步的时间是N倍，并且如果未使用网状网络(由于“滚动”平均)则可能是几百倍。
可激励设备与PAP主机同步：
一个实施例包括监听从主机PAP发送到从属PAP(如在当前原型中进行的那样)的相同同步信号。另一实施例包括执行多次RSSI读取并且检测RSSI的变化，所述RSSI的变化与PAP执行的相位/极化变化相关。
PDM原型实现：
在可激励设备可以监听的通信信道上执行PAP同步。当可激励设备具有足够的能量来监听PAP同步周期的持续时间时，可激励设备将通信信道频率改变到PAP同步信道并等待同步。在接收到同步之后，可激励设备进入休眠，(定时器开启)，如果可激励设备有足够的能量来执行RSSI矢量传输，则刚好在期待的相位改变之前再次醒来，(+ADC读取)，否则，可激励设备休眠更长时间(+Tsync误差)。如果发生减电(brownout)，则在再次有足够能量时重复该过程。初始充电是以随机相位执行的，所以可能花费一定的时间(统计上)来为第一同步RX和第一RSSI TX收集足够的能量。
如果可激励设备不能接收同步，但是存储了足够的能量，则可激励设备将寻找RSSI改变及其随时间的方差，并在统计上判定相位调节窗口在哪里(假定优化功率持续时间是恒定的)。在优化功率间隔期间，相位将改变(但是更缓慢)，并且将与基准漂移+multi-PAP优化功率传送相位调节成比例；相位不能快速跳跃来改变针对每个可激励设备的优化组合。为了检测相位改变期间的RSSI改变，可激励设备不得不以高于相位改变的速率利用ADC来采样。所以，例如，如果使用了PAP处10us相位改变，则PAP ADC需要以＞300KHz来采样，但是仅在相位改变间隔＝N*5*10us+方差期间，其中N＝PAP的数量，方差是由于去同步而引起的误差。
如果可激励设备由于随机相位而接收到某低能量，并且在某点处充电，但是该点在长时间内在采集器阈值以下，则电容器将会放电，并且可激励设备没有机会响应。在这种情况下，解决方案不改进范围，但这在统计上是非常少见的情况。
与迭代算法的比较：
迭代算法在优化期间进行多次RSSI读取。算法的共同类型包括梯度上升(爬山法)、遗传算法、Min/Max、LMS、以及这些算法的变形/组合，所述变形/组合中添加了随机化以避免局部最优。
迭代方法的缺点包括多次通信实例来实现优化。由于需要在多个点测量RSSI，需要RX和TX之间有恒定的通信。基于遗传算法的方法的缺点包括放大的噪声(例如在现实情形下比较不鲁棒)。遗传计算本质上是导数计算，独立变量的小变化导致非独立变量的小变化，(例如小的相位变化大于小的RSSI变化)。基于随机化和遗传算法的方法的缺点是噪声最初未被放大，但是将接近优化。此外，收敛花费更长时间，但是收敛将在绝对最优点出现，但是大致比爬山法低10到100倍的量级。
迭代方法的优点包括：在实现优化之后，RSSI不会远离最优分布。迭代方法还使用简单的计算，其中针对RSSI计算差值并且通过乘以常数(例如增益常数)、通过导数(例如相对于特定TX的偏导数)来调节相位。迭代方法比遗传算法计算复杂度稍高。
相量解析方法(PDM)的实施例寻找可激励设备处的所有组成信号幅度和相位。通过将个体相量相位全部顺序地调节90°和180°(～2*(N-1)*50us+Tcom)，总幅度测量为2*(N-1)倍，其中N是对应相量的数量。PDM一次解决了所有可激励设备位置的所有相位和幅度(受到通信信道的限制)，因此在给定功率分配优先级的情况下，一次优化了所有位置的功率。相比于爬山法，PDM的速度改进在20*N-100*N量级上，其中N是PAP的数量(因子20-100取决于爬山算法中的步数)。
考虑到N个PAP具有相同频率和可调相位的情况。在接收器处，这些幅度和相位由于多路径传播而任意改变。出于本公开的目的，相位和幅度不在时间上变化(例如，比幅度/相位的变化快得多地进行测量)。为了在接收器处对准到来的波的相位，可以采用多种方法，这取决于响应速度的权衡、对变化/噪声的抗扰性。可以递增地调节相位，以缓慢尝试达到最优(典型地局部最大)点。这可以通过多种算法来执行，比如梯度上升/爬山法或遗传算法，或者这样的方法：该方法能够使用PDM评估个体相量的相位/相位当前状态以在具有相位/相位后在一个步骤中达到全局最大。由于爬山法的反馈特性，需要针对每一“爬步”在RX和TX之间恒定通信，在PDM中并非如此，因为PDM可以通过使相位变化与RSSI变化相关来“一次”提供最优，从而节约了用于通信的功率。
由于工作频率的增大以及PAP与可激励设备(例如用户设备、接收器或标签)之间的物理分离增大，限制了无线RF功率传送的有效性。通过使用多个PAP克服了这些限制。多个PAP的随机部署不会导致可激励设备位置处的最优接收，因为多个到来的波具有未知的、非相干的相位，全部建设性地或破坏性地互相干扰。
其他低效性源自于定向到可激励设备的每个个体PAP的极化以及可激励设备的位置处得到的总和波，特别是源自于与接收位置不同位置处的每个PAP的极化(例如由于来自传输介质的反射)。极化在每个可激励设备处也是未知的并且非相干的，并且针对每个PAP具有任意位置(每个具有唯一的反射和其他情况)的影响将使从多个PAP到达使用设备的极性对准进一步复杂化。
尽管PAP可以传输线性极化波，但是可激励设备处接收到的极化可以由于多路径效应而是正交极化的任意组合。得到的极化可以是旋转线性极化(如上所述)、右手或左手旋圆极化或者斜椭圆极化。
在多种实施例中，用于线性对准的类似算法被用来确保接收设备处得到的总和波的极化与来自每个PAP的构成波具有相同的极性。在一个示例中，极性是垂直的。在其他示例中，极性是垂直、倾斜、水平、圆、椭圆或斜椭圆之一。为了阐述清楚，在以下示例实施例中，对准的极性是垂直的。应理解，在其他实施例中，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，其他极性也是可实现的。
使用切换波束来转向来自每个PAP的传输波束。使用切换波束结构，仅需要Butler矩阵、并入跨接结构以及单刀多掷(SPMT)开关。在一些实施例中，跨接结构是“怀特跨接”结构。图6示出了针对四单元阵列的该结构的示例实施例。在其他实施例中，使用不同数量的单元(例如8个或16个单元)。来自SMPT开关的四个输出分别对到达四个贴片天线的四个信号提供不同的相移集合。这些不同的相移集合使得合成波束在不同方向或空间角(类似于相位阵列)上形成其最大值。这种协同馈送在可激励设备处提供功率提升M，其中M是相比于单一天线单元而言的单元个数。
只有在来自多个发射器的多个波束的交叉处的可激励接收器才会被照射或供电。在该交叉空间内，由于多路径传播，多个波束在多个接收器的不同位置处具有不同的极性。挑选多个发射器极化的正确选择，使得a)每个接收器顺序地以相同极化接收所有传输信号，或者b)所有接收器以接收器之一处可实现的最大的“最小接收功率”接收所有传输信号。该最大的最小接收功率出现在接收器中的任何一个处，其中其他接收器接收功率大于最小接收功率。在多种实施例中，按照方法(例如爬山法或PDM)来迭代地调节多个发射器的极化，直到实现接收器之一处的最大的最小接收功率。
根据多个实施例，由于PAP与可激励设备之间的分离距离增大，使用多个PAP使接收设备处接收到的RF能量波束的能量损耗偏移。通过锁相技术将可激励设备处接收到的由本文描述的相应PAP提供的能量波束全部相位相干，从而确保可激励设备处所有到来的信号都达到同相，而与每个个体PAP的位置无关。
根据多种实施例，用于向一个或多个可激励设备同时发送功率的每个PAP的接收相位和频率是固定的并且与所有其他PAP的对应相位和频率相等。在一个实施例中，通过将主机PAP范围内的所有PAP锁定到单一的预定主机时钟频率，来实现前述固定且相同的相位和频率。
PAP处的相应相位和频率被连续锁定，同时被监控并且实时调节。然而，在可激励设备的位置处，从多个PAP接收到的到来的极化不会相同，因为PAP并不全都在相同的物理位置，而且每个PAP与接收设备之间的路径也不相同。每个PAP相对于其他PAP具有唯一的反射源和其他操作条件。
来自多个PAP(本文也称作“发射器”或“TX”)的能量波束的相应到来EM波可以各自在可激励设备(本文也称作“RX”)的位置具有不同的极化，因为PAP并不在空间中物理对准。在最差情况下，RX位置处的每个EM波的极化将与另一EM波正交(例如垂直或水平，或者右手圆和左手圆)。在这种情况下，通过极化非对准来减小接收设备处的接收功率。
在许多实施例中，多个PAP和接收设备全部名义上位于水平平面内(例如在建筑物的同一层)，并且这些PAP和接收设备导致的所有传输EM波的传播方向(例如Poynting矢量)都几乎在水平平面中，从而使得可以对准所有到来的波的极化。
在一个实施例中，通过来自每个Tx的线性极化的极化旋转而产生的在接收设备处接收到的功率的相应改进导致Rx位置处所有到来的波都是垂直共极化的，从而将Rx功率增大了因子N，其中N是PAP的数量。
相比于使用单一PAP，使用前述技术实现极化对准导致了接收设备处接收到的功率的N*N*N＝N3倍改进。该改进是由于三个因素造成的：a)使用N个多个PAP，b)接收设备处EM波的相位对准，以及c)接收设备处EM波的极化对准。相比之下，没有相位和极化对准的任意部署的PAP相比于使用单一PAP的情况仅得到了N倍改进。
在PAP处在天线上使用极化技术来实现本文使用的极化旋转。在第一实施例中，如图5所示，同时从每个PAP传输双正交极化，每个具有特定的幅度，在-1和1之间归一化。每个PAP所需的相应的最大极化旋转是+/-90度，以在接收设备处实现垂直极化总和。
参考图5，在实施例130中，单一馈送140在第一可变增益放大器(VGA)处被放大，并且在贴片天线132处与相同信号的第二馈送组合。将第二馈送用第二VGA 136放大，并用移相器138在0度到360度范围上移相。在一个实施例中，第二馈送的移相器名义上将信号的相位移位正或负90度。在另一实施例中，将第一馈送和第二馈送均进行相移，以在第一馈送和第二馈送之间产生从0度到360度的差分相移。
此外，在具有三个或更多个PAP的一个实施例中，在接收设备的位置处独立接收到的极化需要是垂直的，以使能完全极化对准。可替换地，使用另一极化，所述另一极化针对从相应的PAP到达接收设备的每个EM波是相同的。
对于全部传输线性极化波的前述PAP，可激励设备处接收到的极化将由于多路径而是正交极化的组合。这将导致以下极化：可激励设备处的波的旋转线性极化、右手和左手多极化或者斜椭圆极化。
根据一些实施例，多个PAP独立调节它们的在可激励设备处接收到的EM波的每个极化，以在接收设备处形成作为结果的垂直波。
相应的多个PAP同时传输双正交极化，每个正交极化具有在0和1之间归一化的特定复数(幅度和相位)。如图5所示，每个发射器包括两个具有两个可变增益的放大器(VGA)，其中至少一个包括在0和360度之间的相移能力。
在一些示例中，多个PAP使用预定的阈值来判定是否需要极化对准。此外，在多个实施例中，极化对准过程基于来自每个可激励设备的接收强度信号指示符(RSSI)来使用测量。在其他实施例中，使用其他方法来测量可激励设备处的接收功率。
将来自每个可激励设备的RSSI测量传输回当前对准的PAP，并且在一个示例中使用爬山算法将每个接入点的极化引导至其最终状态。在另一实施例中，使用PDM方法将极化对准引导至其最终状态。
在一些实施例中，相应的PAP使用切换波束波束转向，而不是相位阵列波束转向。相位阵列方法执行极其快速的波束转向，对于电力应用来说是不需要的。此外，相位阵列系统还针对每个天线单元需要至少一个移相器，从而提高系统复杂度和成本。图6示出了切换波束转向结构150，所述切换波束转向结构150仅需要一个Butler矩阵160(使用四个混合耦合器162、164、168和170以及两个怀特跨接结构166和172)以及一个单刀多掷开关174。切换波束转向结构的实施例150包括四个可控斜线性偏振器152、154、156和158。
切换波束波束转向系统合并了主机移相器176以执行前述的多个PAP之间的相位对准。得到的功率提升M是通过使用切换波束天线阵列方法来实现的。这里M表示相比于单一单元而言多个天线单元的数量，并且是对于前述N*N*N增长的附加因素。
在涉及多个接收器的应用中，比如在可激励设备是射频识别(RFID)标签的仓库中，确定每个标签的位置是重要的。不仅有必要对RFDI标签供电并读取RFID标签，还期望确定标签位于哪个货架上。由于仓库大并且包含许多固定的金属物体(例如货架)和动态金属物体(例如铲车)，所以基于标准定位技术的测向(DF)、到达角(AOA)、到达时间差(TDOA)和相对接收功率等级并不是有用的。因此需要在高度多路径环境下工作的定位技术。
在多个实施例中，功率传送系统将功率从PAP组传送到诸如RFID标签之类的接收设备，每个PAP相干地锁定到公共频率。通过调节来自每个PAP的传输信号的相对相位，在三维空间创建能量“泡”，并且在这样的“泡”中将功率传送到所有可激励设备。随着通过改变功率接入点处的相对相位使能量“泡”移动通过三维(3D)空间，为不同的可激励设备集合供电。应注意，由于存在于3D空间(例如仓库)中的多路径环境，“泡”的确切位置可能无法先验地明确确定。
因此期望在功率接入点处针对每的相对相位集合确定能量“泡”的位置，并且还期望将同时形成在3D空间中的“泡”的数量减小到1个。
应注意，由于能量“泡”是根据来自每个PAP的传输信号的相位对准来创建的，所以能量“泡”的大小与传输信号的波长有关，名义上在每个方向上是二分之一波长。对于915MHz的传输信号，泡的大小将近似为16cm×16cm×16cm。
位置确定
在包括仓库的实施例中，每个能量“泡”照射一组可激励设备(例如RFID标签)，其中每个设备紧密靠近另一设备。当可激励设备包括其身份(和数据)时，可以将身份分组。当能量“泡”移动到附近但是不确定的位置时，某些可激励设备将继续返回报告(因为能量“泡”仍然在其心位置给这些可激励设备供电)，而其他接收设备(标签)不会(因为这些接收设备不再被“泡”供电)。在“泡”扫描三维空间之后，可以创建连接映射图以针对每个可激励设备示出最近的邻居。
该连接映射图不提供每个设备的物理位置。然而可以贯穿三维空间在已知位置放置若干“基准”可激励的设备(例如RFID标签)。因此可激励设备位于作为基准标签的最近邻居的位置，并且通过基于连接映射图使用与不同基准标签相关联的主之间的内插来定位可激励设备，以确定所有可激励设备的位置。在一些实施例中，比如确定了接收设备与PAP之间的接近程度的实施例中，还使用PAP的相应位置作为基准位置。基准可激励设备的位置和PAP的位置共同为基准位置。
在多个实施例中，针对每个PAP相对相位设置集合存在多个能量“泡”，并且连接映射图针对可激励设备位置创建多个明确的位置。有利地，同时创建的能量“泡”的数量将随着为创建能量“泡”而部署的PAP的数量的增加而减少。
第一位置模糊度解决方法
通过创建单一能量“泡”而不是通常存在的多个“泡”可以消除位置模糊度难题。在高度多路径的环境中创建单一能量泡的方法基于真时延。这里，替代固定的相对相移，以频率调制连续波(MF-CW)的方式，或者以伪噪声(PN)跳频(FH)的方式，同时对来自所有PAP的相干传输进行频率倾斜。可替换地，对所有功率接入点同时进行相位调制或相位的直接序列(DS)扩散。随着未调制的PAP的相对相移，每个PAP处的调制的时延将相干地组合，以仅在真时延相同的位置处形成能量“泡”。这将大大减小三维空间中形成的能量“泡”的数量，因此将会减少(或甚至消除)连接映射图模糊度。
隔离的能量“泡”的位置由每个PAP处的FM-CW斜坡(ramp)的相对起始时间(或针对FH和DS扩频的PN码)来控制。随着该相对起始时间改变，隔离的能量“泡”的位置在三维空间中移动。对于PAP处的每个相对起始时间集合，根据“基准”位置的响应来确定隔的能量“泡”的实际位置。这些模糊度解决技术的使用难题在于所需的带宽(MF-CW斜坡速率，FM跳速率)随着所需的空间分辨率而增大。在大多数RFID标签定位情形下，这种大的带宽是不可接受的。
第二位置模糊度解决方法
解决能量“泡”的位置模糊度的另一方法是将同时形成为有区别的“泡”分成组，同时构成连接映射图。该划分操作与“相邻”组连通操作一起将解决大多数(如果不是全部的话)位置模糊度。连同基准可激励设备的已知位置(或者在一些实施例中基准位置)，产生三维空间(例如仓库)中所有可激励设备的位置的三维映射图。
首先，使用PAP的切换波束能力的波束切换将把能量“泡”分成子空间。每个PAP在水平(方位角)平面中具有N个可选择波束，(仓库)空间可以容易地被再分为N2个子空间。这里，二次幂反映了被覆盖的空间维度的数量，而不是所采用的PAP的数量。如果附加地垂直(仰角)坐标被划分成M个波束，则空间可以被再分为M×N2个子空间。通过多个PAP对一个子空间内的能量“泡”的形成做出贡献，大大降低了具有多个模糊能量“泡”的概率。
在大空间(例如仓库)的情况下，可以将总空间分成不同的区域，其中将每个区域再分成N2个子空间。这不仅限制了从功率接入点到接收设备的范围，还将通过并行处理提供更快的操作。
可以实现空间向不同子空间划分的进一步细化。对于与所有PAP实质上等距的能量“泡”，来自每个PAP的信号的幅度可以大致相同。对于单一PAP附近的能量“泡”不必如此，因为该能量泡接收的大部分能量来自于该PAP。因此，通过顺序地关断每个PAP并观察哪个可激励设备(例如RFID标签)响应了“闪烁”开和关，可以将多个同时的能量“泡”分成多个不同的组。本文使用的术语“闪烁”意思是在PAP重新开启时关断并返回开启状态。可替换地或附加地，如果接收设备能够返回接收信号强度指示(RSSI)，则“闪烁”被确定为RSSI的实质变化。“闪烁”的那些可激励设备靠近开启的PAP，而不“闪烁”的那些可激励设备不靠近开启的PAP。该过程将多个模糊能量“泡”分组成仓库空间中的P+1个子空间(其中P是功率接入点的数量)，大大减小了位置模糊度。
在一个实施例中，该技术的细化包括同时关断两个相邻的PAP。这里，位于PAP之间的能量设备将会“闪烁”开和关，而远离这两个PAP的可激励设备不会。该技术可以扩展为三个或更多个相邻的或独立的PAP。
在没有PAP的功率主导总体接收功率的区域中(例如在靠近任何PAP的区域中)，可以进一步细化位置模糊度。所有能量“泡”都是三维驻波图的产物，并且该驻波图是由PAP的相位和仓库的内部反射创建的。通过同时旋转所有PAP的极化，可以将不靠近任何PAP区域的多个能量“泡”分成子组。非常依赖仓库内部反射的能量“泡”将会“闪烁”关断，而并不非常依赖内部反射的那些能量泡不会。90度极化旋转将导致两组“泡”之间的最大差异。
也可以使用若干其他的极化旋转值，以标识不同的能量“泡”子组，同样是通过观察哪些可激励设备“闪烁”关断而哪些没有。除了帮助解决RFID标签的位置模糊度以外，这种子组划分还可以用来以类似于PAP的相位改变过程的方式帮助细化连接映射图。
通过使用这种可激励设备的分组技术，可以没有模糊地产生接收设备连接映射图。通过使用基准标签的已知位置，可以产生仓库中所有标签的物理位置的三维映射图。图7示出了确定可激励设备位置的方法。
具体地，在222，所有PAP开启，通过选择切换波束设置将空间分成多个子空间。在224，通过顺序地关闭一个或多个PAP将子空间进一步划分成多个子组。在226，通过切换所有PAP的极化，将子空间进一步划分成多个子组。在一个实施例中，步骤226在步骤224之后执行。在另一实施例中，同时执行步骤224和226中的一个或多个。在228，对于每个子空间，通过改变多个PAP的相对相位使能量泡移动通过子空间，从而构建连接映射图。在另一实施例中，对子组而不是子空间执行步骤228。在230，使用多个基准接收器的已知位置以及来自多个子空间或多个子组的各种连接映射图的结果，将连接映射图固定(确定)在空间中的多个点。
在图8中，用于改进的无线能量传递的方法包括在250将PAP的多个偏振器所形成的第一能量泡转向。在252，在可激励设备处将第一和第二能量波束的极性对准。
在图9中，一种用于改进的无线能量传递的方法包括在260将PAP形成的能量波束转向可激励设备。在262，在可激励设备处将每个能量波束的极性对准。在264，将平面区域划分成子空间。在226，在子空间内沿着扫描路径扫描能量波束，以检测可激励设备。在268，确定连接映射图。在270，内插接收设备和相邻设备相对于基准设备的位置。
附加示例实施例
以下是示例实施例，包括明确列举为“EC”(示例组合)的至少一些示例实施例，提供了对根据本文描述的构思的多种实施例类型的附加描述；这些示例不旨在是互相独占的、穷举的或限制的；并且本发明不限于这些实施例，而是涵盖了权利要求及其等同物所声称的范围之内的所有可能的修改和变形。
EC1：一种能量波束优化方法，包括：
在可激励设备处从多个PAP之一接收能量波束，所述能量波束具有多个传输相位，所述多个传输相位包括第一时隙期间的初始传输相位、第二时隙期间的第二传输相位和第三时隙期间的第三传输相位；
在接收到的RSSI改变了阈值量时，在可激励设备处针对每个传输相位存储接收信号强度指示符(RSSI)；
在PAP处从可激励设备接收每个所存储的RSSI等级；以及
在可激励设备处针对PAP的初始传输相位确定能量波束的接收幅度和接收相位。
EC2：根据EC1所述的方法，其中，将第二传输相位从初始传输相位移位90度，并且将第三传输相位从初始传输相位移位180度。
EC3：根据EC1所述的方法，其中，将第二传输相位从初始传输相位移位180度，并且将第三传输相位从初始传输相位移位90度。
EC4：根据EC1所述的方法，还包括将能量波束的接收相位调节成等于由第二PAP传输的第二能量波束的第二接收相位。
EC5：一种切换波束极化对准方法，包括：
将第一能量波束朝着接收设备转向，所述第一能量波束是通过Butler矩阵耦接到PAP的多个天线传输的；以及
通过在所述多个天线中的每个天线处将从PAP传送的第一极化信号与第二极化信号组合，在接收设备处将第一能量波束的第一极性与另一PAP传输的第二能量波束的第二极性对准，所述第二极化信号是通过旋转第一极化信号而形成的。
EC6：一种天线系统，包括：
贴片天线，包括介于谐振板与接地板之间的介电基板，所述贴片天线包括第一馈点和第二馈点；
第一可变增益放大器VGA，与第一馈点相连，并且被配置为调节信号的第一幅度；
第一移相器，介于信号与第一VGA之间，并且被配置为调节信号的相位；以及
第二VGA，与第二馈点相连，并且被配置为调节信号的第二幅度，所述贴片天线控制信号的斜线性偏振。
EC7：根据EC6所述的系统，其中，所述相位大于或等于0度，并且小于或等于360度。
EC8：一种切换波束极化对准系统，包括：
四个或更多个天线系统，每个天线系统包括：贴片天线，所述贴片天线包括介于谐振板与接地板之间的介电基板，所述贴片天线包括第一馈点和第二馈点；第一VGA，与第一馈点相连，并且被配置为调节信号的第一幅度；第一移相器，介于信号与第一VGA之间，并且被配置为调节信号的相位；以及第二VGA，与第二馈点相连，并且被配置为调节信号的第二幅度，所述贴片天线控制信号的偏振；
第一跨接设备，耦接至第一对天线系统；
第一对混合耦合器，耦接到第一跨接设备和第二对天线系统；
第二跨接设备，耦接到第一对混合耦合器；
第二对混合耦合器，耦接到第二跨接设备和第一对混合耦合器；
开关，耦接到第二对混合耦合器；以及
移相器，耦接在功率接入点的输出与开关之间。
EC9：一种确定接收器位置的方法，包括：
将包括多个设备的平面区域划分成多个子空间，每个子空间由来自多个能量波束中相应的一个能量波束的波束位置限定；
在子空间内沿着扫描路径扫描所述相应的一个能量波束，以通过检测多个设备中至少一些设备中的每个设备处的接收能量变化来检测多个设备中至少一些设备的存在，所述多个设备中的至少一些设备包括可激励设备以及相邻设备和基准设备中的一个或多个，基准设备在平面区域内具有预定的位置；
通过寻找每个相邻设备相对于接收设备位置的相应位置，确定连接映射图；以及
内插接收设备和相邻设备相对于基准设备的物理位置。
EC10：根据EC9所述的方法，其中，在所述相应的一个能量波束的一个波长内确定接收设备的位置。
EC11，根据EC9所述的方法，其中，通过顺序地去激活一个能量波束并由于接收设备处接收能量的减小来检测接收设备的存在，将每个子空间划分为更小的空间。
EC12，根据EC9所述的方法，其中，通过顺序地去激活两个物理上相邻的能量波束并由于接收设备处接收能量的减小来检测两个物理上相邻的能量波束之间接收设备的存在，将每个子空间划分为更小的空间。
EC13：根据EC9所述的方法，其中，通过旋转所有能量波束的极性并由于接收设备处接收能量的减小检测接收设备的存在，将每个子空间划分为更小的空间。
EC14：位置确定和模糊度解决，基于将要覆盖的空间分成子空间，产生每个子空间内多个接收器的连接映射图，并使用基准为止的已知位置在连接映射图内建立已知位置。
EC15：通过在水平(方位角)平面内使用多个切换波束天线将区域划分成N2个子空间，实现了空间向子空间的划分，其中N是针对每个PAP的在水平平面内可用的波束的数量。
EC16：空间向子空间的划分可以扩展到具有M个垂直波束的垂直(仰角)坐标，得到三个维度的子空间的总数M×N2。
EC17：还可以通过以下方式增大空间向子空间的划分：顺序地关断每个PAP，以将区域划分成多个近的子空间和远的子空间。
EC18：还可以通过以下方式增进一步大空间向子空间的划分：顺序地关断两个或更多个相邻的或独立的PAP，以将区域划分成附加的子空间。
EC19：可以通过以下方式进一步增大空间向子空间的划分：顺序地采用正交极化来分离接近但不相邻的接收器。
EC20，可以通过以下方式进一步增大空间向子空间的划分：顺序地采用其他极化值来分离接近但不相邻的接收器。
EC21：通过以下方式产生连接映射图：选择要被切换波束天线照射的子空间，通过改变多个PAP的相对相位使能量泡移动经过子空间，以及观察在一个或多个PAP关断时或在极化旋转时哪些接收器“闪烁”开启和关闭。
EC22：通过基准位置的已知位置将连接映射图固定在空间中多个点。
尽管本文参考特定的实施例描述了本发明，然而在不脱离如以下权利要求所阐述的本发明的范围的情况下可以做出各种修改和变形。因此，说明书和附图应被看做示例性而不是限制性的，所有这样的修改都旨在包含于本发明的范围之内。在本文中关于特定的实施例而描述的任何益处、优点或解决问题的方案都不旨在解释为任何或全部权利要求的关键的、所需的或必要的特征或元素。
除非另有说明，否则诸如“第一”和“第二”之类的术语用于任意区分这样的术语所描述的元素。因此，这些术语不必旨在指示这样的元素的时间或其他优先顺序。

Claims (20)

1.一种用于改进的无线能量传递的系统，包括：
第一功率接入点PAP，被配置为将第一能量波束定向到可激励设备，所述第一能量波束具有基频和第一极性；以及
第二PAP，与第一PAP物理分离，并且具有与第一PAP的无线连接，所述第二PAP配置成将第二能量波束定向到可激励设备，所述第二能量波束具有基频和第二极性，所述第一PAP的多个偏振器被配置为形成定向到可激励设备的第一能量波束并且在可激励设备处将第一极性与第二极性对准；以及
其中第二PAP被使能为经由无线连接来接收PAP信号，并且还被使能为根据PAP信号本地产生基频。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，每个偏振器包括：
贴片天线，包括介于谐振板与接地板之间的介电基板，所述贴片天线包括第一馈点和第二馈点；
第一可变增益放大器VGA，与第一馈点相连，并且被配置为调节信号的第一幅度；
第一移相器，在信号与第一VGA之间，并且被配置为调节所述信号的相位；以及
第二VGA，与第二馈点相连，并且被配置为调节所述信号的第二幅度，所述贴片天线控制信号的偏振。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一移相器被配置为在从负90度到正90度的范围内使信号的相位移位。
4.根据权利要求2所述的系统，还包括：第二移相器，在信号与第二VGA之间，其中第一移相器和第二移相器两者产生在从负90度到正90度范围内的信号相位的组合移位。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个偏振器的数量可被2整除，并且每个偏振器利用怀特跨接结构连接到天线信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述偏振器的数量是4，并且包括：
第一跨接设备，耦接到第一对偏振器；
第一对混合耦合器，耦接到第一跨接设备和第二对偏振器；
第二跨接设备，耦接到第一对混合耦合器；
第二对混合耦合器，耦接到第二跨接设备和第一对混合耦合器；
开关，耦接到第二对混合耦合器；以及
主机移相器，耦接在天线信号与开关之间。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，第一极性是以下之一：垂直、倾斜、水平、圆、椭圆和斜椭圆。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，第一PAP从可激励设备接收到的接收信号强度指示符被用来优化第一极性与第二极性的对准。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，优化对准使用相量解析方法。
10.一种用于改进的无线能量传递的方法，包括：
使具有基频的第一能量波束朝着可激励设备转向，所述第一能量波束由第一功率接入点PAP的多个偏振器形成；以及
通过在第一PAP的每个偏振器处将相应的第一极化信号与相应的第二极化信号组合，在可激励设备处将第一能量波束的第一极性与第二能量波束的第二极性对准，所述第二能量波束具有基频并且由第二PAP形成，所述第二PAP与第一PAP物理分离并且具有与第一PAP的无线连接，所述相应的第二极化信号是通过旋转相应的第一极化信号形成的，并且所述第二PAP经由无线连接接收PAP信号并根据PAP信号本地产生基频。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，第一PAP的每个偏振器将旋转后的第一极化信号与相应的第二极化信号组合，所述第二极化信号具有与旋转后的第一极化信号不同的旋转度。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，基于可激励设备接收到的接收信号强度指示符RSSI来优化第一极性与第二极性的对准。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述对准使用相量解析方法。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一能量波束和第二能量波束二者顺序地从所述可激励设备移动到另一可激励设备，并且通过所述另一可激励设备接收到的另一RSSI来优化所述对准。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，通过最大化来自所述可激励设备和所述另一可激励设备中每一个可激励设备的最小RSSI，针对所述可激励设备和另一可激励设备同时优化所述对准。
16.一种用于改进的无线能量传递的方法，包括：
将多个能量波束转向可激励设备，每个能量波束具有基频并且由相应的具有多个偏振器的功率接入点PAP形成，每个PAP与另一PAP物理分离并且具有与所述另一PAP的无线连接，PAP之一经由无线连接接收PAP信号并且根据PAP信号本地产生基频；
在可激励设备处，通过在每个相应的PAP的每个偏振器处将相应的第一极化信号与相应的第二极化信号组合来对准每个能量波束的极性，所述相应的第二极化信号是通过旋转所述相应的第一极化信号而形成的；
将包括多个可激励设备的平面区域划分为多个子空间，每个子空间由来自所述多个能量波束中相应的一个能量波束的能量波束位置来限定；
在子空间内沿着扫描路径扫描所述能量波束中相应的一个能量波束，以通过检测所述多个可激励设备中至少一些可激励设备中的每一个可激励设备处接收能量的变化，来检测所述多个可激励设备中至少一些可激励设备的存在，所述多个设备中的至少一些设备包括接收设备以及相邻设备和基准设备中的一个或多个，所述基准设备在所述平面区域内具有预定的位置；
通过寻找每个相邻设备相对于接收设备位置的相对位置，来确定连接映射图；以及
内插接收设备以及相邻设备相对于基准设备的物理位置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在能量波束中相应的一个能量波束的一个波长内确定接收设备的位置。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，通过顺序地去激活一个能量波束并由于接收设备处的接收能量的减小来检测接收设备的存在，将每个子空间划分成更小的空间。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，通过顺序地去激活两个物理上相邻的能量波束并由于接收设备处的接收能量的减小来检测所述两个物理上相邻的能量波束之间接收设备的存在，将每个子空间划分成更小的空间。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，通过旋转所有能量波束的极性并由于接收设备处的接收能量的减小来检测接收设备的存在，将每个子空间划分成更小的空间。
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