CN108832728A - 一种基于方向回溯天线的无线能量传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线阵或系统技术领域，公开了一种基于方向回溯天线的无线能量传输系统及方法，导频信号发生模块产生导频信号，由相位测量分析模块采集并分析信号相位，最后由回溯信号发生模块和闭环相位控制单元输出高指向精度的回溯波，由整流天线及电路转换电磁能量。本发明克服了原有技术信号双向衰减的不足和指向精度的不足，回溯信号功率大大提高。本发明采用了相位测量分析模块采集分析导频信号相位信息，并由频率发生器生成回溯信号，有效的避免了信号的两次空间衰减，使回溯波的功率大大提高；并且在回溯信号发生器增加了一个闭环相位控制系统，对回溯信号相位进行实时校准，使回溯信号指向性有了保证。

Description

一种基于方向回溯天线的无线能量传输系统及方法

技术领域

本发明属于天线阵或系统技术领域，尤其涉及一种基于方向回溯天线的无线能量传输系统及方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：无线能量传输技术是指能量在不需要借助导线的情况下传输到终端的一种技术，实现方式主要有：电感耦合、电磁共振耦合、超声波、激光和微波等。电感耦合和电磁共振耦合传输功率大，分别利用线圈耦合和电磁共振物体之间的强电磁耦合传输能量，但传输距离受限；超声波只能通过各种煤质中传播，在空气中衰减大、传输效率低，也不适用于远距离传输；激光能够实现远距离的高功率传输，其优点是波束窄、指向性高，但因其对准难度大，精度不高；而微波无线能量传输技术传输距离远、传输功率大、抗干扰性更强，所以是当今最有发展前景的无线能量传输技术。微波无线能量传输技术(MPT)就是将其他形式的能量转换为微波能量通过天线进行发射与接收，从而实现空间无线能量传输。MPT的关键技术之一就是微波波束控制，使其能精确的到达指定位置。目前微波波束的控制主要靠机械控制、相控阵波束形成和方向回溯天线阵列。其中机械控制操作难度大，不易于大型阵列控制；相控阵天线造价昂贵，系统结构复杂；方向回溯天线不需要预先知道信号的来波方向，只需要接收到一导频信号，基于相位共轭原理，能够自动跟踪来波方向并发射与导频信号方向相反的回溯信号。由于其特殊的功能，可以应用到各种无限能量传输中，比如太阳能电站、卫星星间通信等。目前方向回溯天线阵列主要由以下几种实现方式：角反射器、Van Atta阵和外差混频技术。角反射器电尺寸太大，无法集成于电路中；Van Atta阵列只能回溯平面波，而且一般需要排布在一个平面，难以与电子系统共形；外差混频技术是获得相位共轭的一个简单有效的方式，当本振频率的频率是导频信号频率的两倍时，低边带信号的相位和导频信号相位共轭且同频，是目前使用最多的一种实现方式。上述所有实现方式，都是在接收导频信号后，对导频信号进行共轭形成回溯信号，这样信号会经过两次空间衰减，回溯信号到达接收端时功率弱，并且相位控制精度不高。

综上所述，现有技术存在的问题是：由弗里斯传输公式可知，在天线口径、增益一定的情况下，电磁波随着传输距离的增加，接收端所接收到的功率降低。现有技术在接收导频信号后，对导频信号进行共轭形成回溯信号，信号会经过两次空间衰减，使得回溯信号功率较弱。在相位共轭方案中需要较高的相位精度，但是在电路中有很多因素会影响回溯信号指向精度，比如：链路间的耦合、功分器的相位不一致性、混频器的同频干扰等，因此回溯信号的指向性无法保证。

解决上述技术问题的难度和意义：根据弗里斯传输公式，电磁波的空间衰减在天线口径、增益一定的情况下，距离越大衰减越大，想要实现远距离无线能量传输的难度是很大的。并且在远距离传输时，电路中功分器、放大器和混频器等对回溯波相位的影响，会对回溯波指向性有很大影响。电路中的相位一致性控制难度很大，并且链路之间的耦合也会对影响系统性能。所以有效解决功率弱和指向精度问题，可以使无线能量传输应用到更多领域，比如：卫星星间通信、太阳能电站等。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于方向回溯天线的无线能量传输系统及方法。

本发明是这样实现的，一种基于方向回溯天线的无线能量传输方法，所述基于方向回溯天线的无线能量传输方法包括：

第一步，可移动的导频信号发生模块发射连续导频信号；

第二步，对导频信号进行接收与处理，对导频信号相位信息进行采集、计算并存储在主控系统；

第三步，将获得的导频信号相位共轭并反馈到回溯信号移相器控制端口，对回溯信号相位进行时时校准。

进一步，所述导频信号，并经过功率放大器放大信号后再经过滤波器，最后由发射天线发射信号。

进一步，接收天线接收到导频信号后，经过一分二功分器分为两路，分别通过带通滤波器滤掉带外信号，与两路正交信号混频后经过低通滤波器滤掉高频信号，采集并分析相位；

导频信号U₁＝V₁ cos(ωt+θ)，A路本振信号U₂＝V₂ cos(ωt)，B路本振信号U₃＝cos(ωt+1/2π)；

A路输出：U_I＝0.5V₁ V₂ cosθ+0.5V₁ V₂ cos(2ωt+θ)；

B路输出：U_Q＝0.5V₁ V₂ sinθ-0.5V₁ V₂ sin(2ωt+θ)；

通过低通滤波器后，两路信号高频被滤除，得到：

U_I＝0.5V₁ V₂ cosθ，U_I＝0.5V₁ V₂ cosθ；

两路输出计算出被测信号的相位θ：

本发明的另一目的在于提供一种实现所述的基于方向回溯天线的无线能量传输方法的基于方向回溯天线阵列的无线能量传输系统，所述基于方向回溯天线阵列的无线能量传输系统包括：

导频信号发生模块，通过频率发生器产生一连续的导频信号，并通过功率放大器放大导频信号，接着连接一带通滤波器滤掉可能出现的带外信号，最后连接发射天线。

相位测量分析模块，采集并分析信号相位；

回溯信号发生模块，输出高指向精度的回溯波，整流天线及电路转换电磁能量。

进一步，所述导频信号发生模块包括：频率发生器产生一连续导频信号，并在频率发生器输出端口连接功率放大器，带通滤波器一端与功率放大器输出端口连接，另一端与发射天线连接，滤掉可能出现的带外信号并通过发射天线发射导频信号

进一步，所述相位分析模块包括相位测量单元、数据采集单元、数据计算单元，主控系统；

相位测量单元包括：接收天线输出端口连接一分二功分器，功分器的两个输出端口各自连接一带通滤波器；两个混频器的射频端口与各路带通滤波器直接相连，本振端口与频率发射器相连，其中A路本振直接与混频器本振端口连接、B路本振通过一延时器再与另一混频器本振端口连接，其中本振信号频率与导频信号一致，两路混频器的中频输出端口与各路低通滤波器相连，最后连入数据采集单元，所述两路信号走线对称，路径一致，保证两路信号相位信息一致。

数据采集单元采用A/D采样，并通过单片机计算相位信息；

主控系统以单片机为核心构成，控制放大链路、相位采集及计算单元、闭环相位控制模块，并进行数据分析及处理；

进一步，所述回溯信号产生模块包括回溯信号产生单元和闭环相位控制系统；

回溯信号产生单元由频率发生器产生连续信号，在频率发生器输出端口连接移相器，移相器的控制端口与主控系统连接，并在移相器的输出端口接一不等幅功分器，功分器的大信号输出端接发射天线，小信号输出端接闭环相位控制系统；

闭环相位控制系统，监测回溯信号相位是否为所需信号，测得回溯信号相位后反馈到主控系统，时刻监测回溯信号的准确性。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述基于方向回溯天线的无线能量传输方法的太阳能电站。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述基于方向回溯天线的无线能量传输方法的卫星星间通信系统。

综上所述，与现有技术相比，本发明的优点及积极效果：

⑴本发明在基于相位共轭原理基础上，在实现形式上不使用角反射器、VanAtta阵或超外差混频技术来实现信号相位共轭，改进了原有技术的不足，采用了相位测量分析模块先采集分析导频信号相位信息，并由频率发生器生成共轭回溯信号，有效的避免了信号的两次空间衰减，使回溯波的功率大大提高；

⑵本发明在回溯信号发生器增加了一个闭环相位控制系统，在发射回溯信号的同时进行采集分析回溯信号相位信息，并实时反馈给主控系统，对回溯信号相位进行实时校准，使回溯信号指向性有了保证。

⑶本发明在链路中不需要多级放大器来提高链路增益，有效避免了电路中单级链路增益过大导致的空间耦合等问题。

本发明所以有必要发明一种基于新型方向回溯天线阵列的无线功率传输系统，提高传输效率和回溯信号指向性的准确，使回溯信号功率提高。以实现远距离、高功率、高指向精度的无线能量传输。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于方向回溯天线的无线能量传输系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于方向回溯天线的无线能量传输系统原理示意图；

图3是本发明实施例提供的导频信号发生模块示意图；

图4是本发明实施例提供的相位分析模块示意图

图5是本发明实施例提供的回溯信号产生模块示意图；

图6是本发明实施例提供的闭环相位控制系统工作流程图；

图7是本发明实施例提供的无线能量传输系统工作流程图；

图中：1、导频信号发生模块；2、相位测量分析模块；3、回溯信号发生模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明在基于相位共轭原理基础上，改进了原有技术的不足，采用了相位测量分析模块采集分析导频信号相位信息，并由频率发生器生成回溯信号，有效的避免了信号的两次空间衰减，使回溯波的功率大大提高；并且在回溯信号发生器增加了一个闭环相位控制系统，对回溯信号相位进行实时校准，使回溯信号指向性有了保证。本发明克服了原有技术信号双向衰减的不足和指向精度的不足，回溯信号功率大大提高。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于方向回溯天线的无线能量传输系统包括：导频信号发生模块1、相位测量分析模块2、回溯信号发生模块3、闭环相位控制单元4。

导频信号发生模块1产生导频信号；

相位测量分析模块2采集并分析信号相位；

回溯信号发生模块3，输出高指向精度的回溯波，整流天线及电路转换电磁能量。

导频信号发生模块1包括频率发生器、功率放大器、滤波器、发射天线、整流天线和整流电路。

相位分析模块2包括相位测量单元、数据采集单元、数据计算单元，和主控系统。其中相位测量单元包括接收天线、一分二功分器、带通滤波器、混频器、低通滤波器、延时器，本振信号产生器，通过双路正交法实现相位测量。其中数据采集单元采用A/D采样，并通过单片机计算相位信息。主控系统以单片机为核心构成，主要控制放大链路、相位采集及计算单元、闭环相位控制模块等，并进行数据分析及处理。

回溯信号产生模块3包括回溯信号产生单元和闭环相位控制系统。回溯信号产生单元由频率发生器、移相器、主控系统、功率放大器和发射天线组成。闭环相位控制系统主要用来监测回溯信号相位是否为所需信号，测得回溯信号相位后反馈到主控系统，时刻监测回溯信号的准确性，使整个系统工作更加精确可靠。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的基于新型方向回溯天线阵列的无线能量传输系统由导频信号发生模块、相位测量分析模块和回溯信号发生模块组成。

本发明实施例提供的基于新型方向回溯天线阵列的无线能量传输工作流程如下：

第一步，可移动的导频信号发生模块发射连续导频信号；

第二步，相位测量单元对导频信号进行接收与处理，并由数据采集单元和数据分析单元对导频信号相位信息进行采集、计算并存储在主控系统；

第三步，将第二步获得的导频信号相位共轭并反馈到回溯信号移相器控制端口，并经过图6所示闭环相位控制系统，时刻对回溯信号相位进行时时校准，保证系统精确性。

如图3所示，导频信号发生模块由频率发生器产生导频信号，并经过功率放大器放大信号后再经过滤波器，最后由发射天线发射信号。

如图4所示，本发明的相位分析模块的工作原理如下：接收天线接收到导频信号后，经过一分二功分器分为两路，分别通过带通滤波器滤掉带外信号，与两路正交信号混频后经过低通滤波器滤掉高频信号，最后采集并分析相位。特别的，若导频信号U₁＝V₁ cos(ωt+θ)，A路本振信号U₂＝V₂ cos(ωt)，B路本振信号U₃＝cos(ωt+1/2π)；

A路输出：U_I＝0.5V₁ V₂ cosθ+0.5V₁ V₂ cos(2ωt+θ)；

B路输出：U_Q＝0.5V₁ V₂ sinθ-0.5V₁ V₂ sin(2ωt+θ)；

通过低通滤波器后，两路信号高频被滤除，得到：

U_I＝0.5V₁ V₂ cosθ，U_I＝0.5V₁ V₂ cosθ；

则由这两路输出可以计算出被测信号的相位θ：

如图5所示，由图4得到的相位信息，通过主控系统控制移相器的控制端口，使回溯信号相位共轭；并在移相器输出端口接一不等幅功分器，使一小信号进入另一如图4所示的相位分析模块，并与主控系统连接。通过这样一个闭环相位控制系统，在发射回溯信号时，实时监测回溯信号相位信息，并反馈给控制系统，并且时时校准回溯信号相位，保证系统精确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于方向回溯天线的无线能量传输方法，其特征在于，所述基于方向回溯天线的无线能量传输方法包括：

第一步，可移动的导频信号发生模块发射连续导频信号；

第二步，对导频信号进行接收与处理，对导频信号相位信息进行采集、计算并存储在主控系统；

第三步，将获得的导频信号相位共轭并反馈到回溯信号移相器控制端口，对回溯信号相位进行时时校准。

2.如权利要求1所述的基于方向回溯天线的无线能量传输方法，其特征在于，所述导频信号，并经过功率放大器放大信号后再经过滤波器，最后由发射天线发射信号。

3.如权利要求2所述的基于方向回溯天线的无线能量传输方法，其特征在于，接收天线接收到导频信号后，经过一分二功分器分为两路，分别通过带通滤波器滤掉带外信号，与两路正交信号混频后经过低通滤波器滤掉高频信号，采集并分析相位；

导频信号U₁＝V₁cos(ωt+θ)，A路本振信号U₂＝V₂cos(ωt)，B路本振信号U₃＝cos(ωt+1/2π)；

A路输出：U_I＝0.5V₁V₂cosθ+0.5V₁V₂cos(2ωt+θ)；

B路输出：U_Q＝0.5V₁V₂sinθ-0.5V₁V₂sin(2ωt+θ)；

通过低通滤波器后，两路信号高频被滤除，得到：

U_I＝0.5V₁V₂cosθ，U_I＝0.5V₁V₂cosθ；

两路输出计算出被测信号的相位θ：

4.一种实现权利要求1所述的基于方向回溯天线的无线能量传输方法的基于方向回溯天线阵列的无线能量传输系统，其特征在于，所述基于方向回溯天线阵列的无线能量传输系统包括：

导频信号发生模块，用于产生导频信号；

相位测量分析模块，采集并分析信号相位；

回溯信号发生模块，输出高指向精度的回溯波，整流天线及电路转换电磁能量。

5.如权利要求4所述的无线能量传输方法的基于方向回溯天线的无线能量传输系统，其特征在于，所述导频信号发生模块包括频率发生器、功率放大器、滤波器、发射天线、整流天线和整流电路。

6.如权利要求4所述的无线能量传输方法的基于方向回溯天线的无线能量传输系统，其特征在于，所述相位分析模块包括相位测量单元、数据采集单元、数据计算单元，主控系统；

相位测量单元包括接收天线、一分二功分器、带通滤波器、混频器、低通滤波器、延时器，本振信号产生器，通过双路正交法实现相位测量；

数据采集单元采用A/D采样，并通过单片机计算相位信息；

主控系统以单片机为核心构成，控制放大链路、相位采集及计算单元、闭环相位控制模块，并进行数据分析及处理。

7.如权利要求4所述的无线能量传输方法的基于方向回溯天线的无线能量传输系统，其特征在于，所述回溯信号产生模块包括回溯信号产生单元和闭环相位控制系统；

回溯信号产生单元由频率发生器、移相器、主控系统、功率放大器和发射天线组成；

闭环相位控制系统，监测回溯信号相位是否为所需信号，测得回溯信号相位后反馈到主控系统，时刻监测回溯信号的准确性。

8.一种使用权利要求1～3任意一项所述基于方向回溯天线的无线能量传输方法的太阳能电站。

9.一种使用权利要求1～3任意一项所述基于方向回溯天线的无线能量传输方法的卫星星间通信系统。