CN109638984A - 一种实现微波无线电能传输系统中近场聚焦的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现微波无线电能传输系统中近场聚焦的方法，涉及微波无线电能传输定向辐射技术，属于基本电气元件的技术领域。该方法首先确定聚焦点在微波无线电能传输的近场位置，根据聚焦点波峰相叠加的原理推导出聚焦状态下相邻阵元空间相位差和聚焦点与阵列之间的距离以及阵元向聚焦点辐射波束方向的关系推算出相邻阵元激励电流的相位差，考虑了阵元与聚焦点的距离之差对定向精度的影响，能够实现在近场聚焦时的定向辐射，为今后大功率高效率微波无线能量传输系统定向辐射奠定基础。

Description

一种实现微波无线电能传输系统中近场聚焦的方法

技术领域

本发明公开了一种实现微波无线电能传输系统中近场聚焦的方法，涉及微波无线电能传输定向辐射技术，属于基本电气元件的技术领域。

背景技术

目前，无线电能传输技术主要有四种实现方式：电磁感应式、电磁共振式、激光式和微波式。电磁感应式和电磁共振式传输功率大，效率高，但传输距离短，限制了该技术在远距离传输领域的应用。激光式和微波式则适合应用于远距离、大功率的电能传输场合。激光式具有传输定向性好、设备体积小的优点，但激光在空间传输时易受环境影响，导致传输效率较低。而微波式无线电能传输技术(Microwave Power Transmission,MPT)受环境影响小，大气传输损耗小，可应用在地面电能分配、太空能源利用、深海能源开发等领域，为偏远或移动式基站、飞行器、空间探测器、深海探测器等提供新的供能方式。尤其在全电无人机应用场合，采用MPT可为无人机进行远程、非接触供电，在提高隐身性能的同时实现无人机的长航时飞行。因此，对微波无线电能传输技术的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

图1为微波无线电能传输系统通用结构，该系统在为移动目标充电时需实时获得目标的坐标信息，因此，系统定向辐射端需改变电流相位以达到跟瞄的目的。

传统MPT采用相控阵方法进行定向辐射，但由于功率小，所以远场情况下的定向性能不是很精确，并且功率损耗较大，未能达到传能量的目标。采用相控阵控制方法可以实现远场的定向辐射，但是由于电磁波处于远场状态，能量损耗和距离平方成正比，无法实现大功率微波能量传输。在远场区电磁波近似平面波，这导致聚焦点与天线阵元的角度以及距离均相同，现有微波无线电能传输近场聚焦仍采用的是平面波条件，因此，在近场中有较多电磁波加强点，定向不准。当天线阵元与聚焦点之间的距离不同时，需考虑其距离之差带来的影响，从而克服定向不准的缺陷。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，并从降低系统复杂程度和提升定向精确度出发，提供了一种实现微波无线电能传输系统中近场聚焦的方法，本申请考虑聚焦点与天线阵元的距离之差对定向准确率的影响调节各阵元间的电流相位差以实现近场聚焦，在精准定向的同时能够在主瓣辐射方向高效率地传输最大功率，解决了现有近场聚焦方案因忽略聚焦点与天线阵元之间距离之差定向不精准的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

为实现近场聚焦，先根据以往公式推算该天线的近远场分界点，根据分界点推算聚焦点是否在近场内，物体与每个天线阵元间的距离之差，分析聚焦时相邻阵元空间相位差和聚焦点与阵列之间的距离以及阵元向聚焦点辐射波束方向的关系推算出阵元的激励电流相位差，从而达到定向辐射的目的。

基于以上思想提出一种实现微波无线电能传输近场聚焦的方法，可以在近场环境中大功率高精度地扫描并跟踪物体。先从一维线阵阵元间的电流相位差推导至二维面阵阵元间的电流相位差，进而推导得到实用性较强的n维面阵阵元间的电流相位差。

对于以1×3天线阵列为发射端微波辐射器的无线电能传输系统，相邻阵元空间相位差和聚焦点与阵列之间的距离以及阵元向聚焦点辐射波束方向的关系为：令ψ_n1＝0，得到ψ_n1为相邻阵元的空间相位差，λ为微波波长，α为参考阵元向聚焦点辐射波束的方向与参考阵元垂直方向的夹角，α₁为与参考阵元相邻阵元向聚焦点辐射波束的方向与参考阵元垂直方向的夹角，α₁由表达式：确定，r为参考阵元与聚焦点的距离，d为相邻阵元的间距，ξ₁为相邻阵元的激励电流相位差。

对于以n×n天线阵列为发射端微波辐射器的无线电能传输系统，建立n×n天线阵列的三维坐标系，以阵元间距为a的线阵为X轴，以垂直于X轴方向且阵元间距为b的线阵为Y轴，以X轴和Y轴交汇处O的阵元为参考阵元，根据右手定则确定垂直于XOY平面的Z轴的正方向，根据聚焦状态下相邻阵元空间相位差和聚焦点与阵列之间的距离以及阵元向聚焦点辐射波束方向的关系以及聚焦点到XOY平面的距离h推算出沿X轴第n个阵元与参考阵元的激励电流相位差ξ_knx、沿Y轴第m个阵元与参考阵元的激励电流相位差ξ_kmy，(n,m)坐标处阵元与参考阵元的激励电流相位差ξ_knm， 其中，α为聚焦点与Z轴正半轴的夹角，β为聚焦点在XOY平面的投影与X轴正半轴的夹角。

进一步的，在推算相邻阵元激励电流的相位差之前，先根据表达式：推算近远场分界点，再根据近远场分界点筛选出处于近场范围内的聚焦点，R为近远场分界点与天线阵列的距离，L为天线阵列的最大尺寸，λ为微波波长。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明针对现有近场聚焦策略忽略聚焦点与天线阵元之间距离之差的缺陷，根据聚焦点波峰相叠加的原理推导出聚焦点与天线阵元间的位置差和阵元之间电流相位差与空间相位差的关系，由阵元向聚焦点辐射波束的反向确定阵元与聚焦点的距离，且在天线方向图的主瓣处聚焦，实现了近场范围内的精准聚焦，相较于传统的远场定向辐射方案具有定向精准的优势，相对于通过压缩主瓣能量使得能量在主瓣处集中的近场定向辐射方案具有能量传输效率高的优势。

(2)本发明所提供的微波无线电能传输近场聚焦方法适用于波长厘米级别的微波频段，对位置信息较为敏感，能够在不改变发射端阵列的情况下实现定向辐射，为今后大功率微波无线电能传输、近场聚焦、扫描目标、跟踪目标奠定坚实的基础。

附图说明

图1为微波无线电能传输系统的通用结构图。

图2为能量近场聚焦和远场扩散的示意图。

图3为推导空间相位差与距离之差以及电流相位差关系的原理图。

图4为一维线阵实现微波无线电能传输近场聚焦的原理图。

图5为二维面阵实现微波无线电能传输近场聚焦的原理图。

图6(a)为本申请公开的方法在α＝π/4，β＝-π/4近场时的聚焦仿真图，图6(b)为传统远场平面波定向应用在α＝π/4，β＝-π/4近场时的聚焦仿真图。

图7(a)为本申请公开的方法在α＝π/4，β＝π/4近场时的聚焦仿真图，图7(b)为传统远场平面波定向应用在α＝π/4，β＝π/4近场时的聚焦仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

图2为近远场示意图，根据天线阵列以及微波频率可计算出公式(1)所示的近远场分界点：

R：为近远场分界点；

L：天线阵列最大尺寸；

λ：微波波长；

远场处电磁波近似于平面波，因此，聚焦点于每个天线阵元之间的距离之差是固定的，但是在近场中即在R的范围内，电磁波产生聚焦，聚焦点与每个天线阵元之间的距离不同。波长为厘米级别的微波，天线阵元之间的距离和聚焦点与每个天线阵元的距离之差都会对定向精度产生影响。距离之差和波长处于一个量级时不能忽略，因此，本申请针对距离之差对定位精度的影响提出了一种改进的近场聚焦方法。

在一维线阵中，先从1×3阵列推导，从远场开始推导空间相位差与距离之差和电流相位差之间的关系，原理如图3所示。

当电磁波处于远场条件下，近似于平面波，因此，聚焦点与每个阵元之间的距离是个固定值。此时，可以求得两个相邻的天线阵元之间的空间相位差ψ：

其中，λ是微波的波长，ξ是输入天线阵元的激励电流的相位差，α为阵元向聚焦点辐射波束的方向与参考阵元垂直方向的夹角，d为相邻阵元的间距。由式(2)可以看出，当以阵元1为参考时，阵元2与阵元1的空间相位差是ψ，依次类推，则第N个阵元与阵元1的空间相位差是(N-1)ψ。此时，天线阵列的辐射电场E可以表示为：

当激励电流的幅值和辐射距离相同时，各个天线阵元辐射电场强度相同。假设此时在观察点处单个天线阵元的辐射电场强度为E₁，则式(3)可改写为：

此时，可以求出观察点处天线阵列的电场的模：

此时，均匀直线阵的方向图是总电场的归一化形式，为：

从式(6)可以看出，总电场的归一化形式的右半部分是一个周期为2π的函数。当ψ＝±2Nπ时，均匀直线阵的方向图存在最大值。其中，ψ＝0表示辐射方向图的主瓣，其它最大值称为辐射方向图的副瓣。辐射主瓣所包含的能量一般都远大于各副瓣，因此，在聚焦过程中，当空间相位差ψ＝0时，能量能达到聚焦，主瓣上传输的功率最大。

将空间相位差与距离之差以及电流相位差的关系带入1×3的一维线阵中，近场聚焦环境如图4所示，p为聚焦点，阵元2与p点的距离为r，阵元1到观察点即聚焦点P处波束与参考阵元2垂直方向的夹角为α₁，由式(7)可得，

阵元1与阵元2的空间相位差为ψ_n1，由式(8)可得，

同理，阵元3到观察点p处波束与参考阵元2垂直方向的夹角α₂以及阵元3与阵元2的空间相位差ψ_n2由式(9)和式(10)可得，

近场辐射目标p处场强是各个阵元在p处场强之和。因此，与远场定向辐射类似，空间相位差为零是天线阵列辐射方向图的主瓣。因此，阵元1与阵元3相对于参考阵元2的电流相位差ξ₁、ξ₂由式(11)和(12)可得：

经过1×3一维线阵的推导，可以将其推广至2×2平面阵列，近场聚焦如图5所示。类似上文推导，聚焦点p与xoy平面的距离为h，与Z轴正半轴夹角为α，p点在xoy平面的投影与X正半轴夹角为β。X轴阵元间距a，Y轴阵元间距为b。阵元K1与阵元K2的电流相位差为ξ_k1，阵元K3与阵元K2的电流相位差为ξ_k3，阵元K4与阵元K2的电流相位差为ξ_k4由式(13)至(15)可得：

经过2×2阵列的推导，可以推导至n×n阵列。沿X轴的阵元间距为a，沿Y轴的阵元间距为b，p点为聚焦点，聚焦点相对于xoy平面的垂直距离为h，聚焦点在xoy平面投影与X轴正半轴夹角为β，p点与Z轴正半轴夹角为α。沿X轴第n个阵元的电流相位与原点处阵元的相位之差为ξ_knx，沿Y轴第m个阵元的电流相位与原点处阵元的相位差为ξ_kmy，(n,m)坐标处阵元的电流相位与原点处阵元的电流相位差为ξ_knm，沿X轴第n个阵元的电流相位与原点处阵元的相位之差为ξ_knx、沿Y轴第m个阵元的电流相位与原点处阵元的相位差为ξ_kmy，(n,m)坐标处阵元与原点处阵元的电流相位差为ζ_knm由式(16)至(18)可得：

图6(a)图6(b)给出了本申请公开的方法以及传统远场平面波定向应用在α＝π/4，β＝-π/4近场时的聚焦仿真图，图7(a)图7(b)给出了本申请公开的方法以及传统远场平面波定向应用在α＝π/4，β＝π/4近场时的聚焦仿真图，。从仿真中可看出：传统远场相控阵方法应用在近场时会有较多的聚焦点，导致无法实现在一点处聚焦，从而较难实现定向扫描的功能；本文提出的近场聚焦方法在近场确定距离时可实现单点聚焦，从而可以通过改变阵列天线阵元之间的电流相位差实现定向扫描的功能。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术构思以及在本申请所公开技术方案基础上做出的任何改动均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种实现微波无线电能传输系统中近场聚焦的方法，其特征在于，根据聚焦状态下相邻阵元空间相位差和聚焦点与阵列之间的距离以及阵元向聚焦点辐射波束方向的关系推算出相邻阵元的激励电流相位差。

2.根据权利要求1所述一种实现微波无线电能传输系统中近场聚焦的方法，其特征在于，对于以1×3天线阵列为发射端微波辐射器的无线电能传输系统，相邻阵元空间相位差和聚焦点与阵列之间的距离以及阵元向聚焦点辐射波束方向的关系为：令ψ_n1＝0，得到ψ_n1为相邻阵元的空间相位差，λ为微波波长，α为参考阵元向聚焦点辐射波束的方向与参考阵元垂直方向的夹角，α₁为与参考阵元相邻阵元向聚焦点辐射波束的方向与参考阵元垂直方向的夹角，α₁由表达式：确定，r为参考阵元与聚焦点的距离，d为相邻阵元的间距，ξ₁为相邻阵元的激励电流相位差。

3.根据权利要求1所述一种实现微波无线电能传输系统中近场聚焦的方法，其特征在于，对于以n×n天线阵列为发射端微波辐射器的无线电能传输系统，建立n×n天线阵列的三维坐标系，以阵元间距为a的线阵为X轴，以垂直于X轴方向且阵元间距为b的线阵为Y轴，以X轴和Y轴交汇处O的阵元为参考阵元，根据右手定则确定垂直于XOY平面的Z轴的正方向，根据聚焦状态下相邻阵元空间相位差和聚焦点与阵列之间的距离以及阵元向聚焦点辐射波束方向的关系以及聚焦点到XOY平面的距离h推算出沿X轴第n个阵元与参考阵元的激励电流相位差ξ_knx、沿Y轴第m个阵元与参考阵元的激励电流相位差ξ_kmy，(n,m)坐标处阵元与参考阵元的激励电流相位差ξ_knm，

其中，α为聚焦点与Z轴正半轴的夹角，β为聚焦点在XOY平面的投影与X轴正半轴的夹角。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述实现微波无线电能传输系统中近场聚焦的方法，其特征在于，在推算相邻阵元激励电流的相位差之前，先根据表达式：推算近远场分界点，再根据近远场分界点筛选出处于近场范围内的聚焦点，R为近远场分界点与天线阵列的距离，L为天线阵列的最大尺寸，λ为微波波长。