CN109802498B - 一种基于射频电磁波能量收集的供电系统、方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于射频电磁波能量收集的供电系统、方法及装置，包括信号接收模块，用于接收自由空间的射频电磁波信号；滤波降噪模块，用于对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理，以得到滤波信号；倍压整流模块，用于将所述滤波信号进行整流和倍压处理，以得到高压直流电；耦合稳压模块，用于对高压直流电进行耦合和稳压处理，以得到稳压电能；功率放大模块，用于将所述稳压电能进行功率放大，得到功率放大后的电能；电能储能模块，用于对所述放大后的电能进行存储以及对外部设备进行供电。可安全地把自由空间电磁波安全无损失的输送到外部负载设备进行充电。

Description

一种基于射频电磁波能量收集的供电系统、方法及装置

技术领域

本发明涉及供电装置领域，尤其涉及一种基于射频电磁波能量收集的供电系统、方法及装置。

背景技术

现有的射频能量收集系统是通过信号收集，信号传输，倍压电路和能量储存来完成。这种设计能够完成对应功能，并且能够实现能量的利用，节约能源成本。整个设计过程中，模块化设计很明确，对应模块的功能和性能独立，可以同时进行设计，减少研发周期。

但是这种设计不能减少大气中电磁波带有的噪声，会造成能量大量损耗，所以，转换效率很低。并且，模块之间的电磁干扰会对设备造成一定损坏，减少设备使用寿命。现有技术也只能针对某一特定设备进行设计，并不能被广泛使用。设备没有集成化，不宜带出进行野外工作。

综上所述，现有的基于射频能量供电系统存在接收信号噪声过大，会降低传能量转换；模块之间电磁干扰过大，能量会因互感，涡流等方式以热量散出；设计针对特定设备，没有达到不同设备广泛使用；功率转换增益固定，不可调节，灵活性较差；不方便携带等缺陷。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种基于射频电磁波能量收集的供电系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于射频电磁波能量收集的供电系统，包括：

信号接收模块，用于接收自由空间的射频电磁波信号。

滤波降噪模块，用于对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理，以得到滤波信号。

倍压整流模块，用于将所述滤波信号进行整流和倍压处理，以得到高压直流电。

耦合稳压模块，用于对所述高压直流电进行耦合和稳压处理，以得到稳压电能。

功率放大模块，用于将所述稳压电能进行功率放大，得到功率放大后的电能。

电能储能模块，用于对所述放大后的电能进行存储以及对外部设备进行供电。

本发明的有益效果是，通过在信号接收模块对自由空间的射频电磁波信号进行接收后，利用滤波降噪模块对射频电磁波信号进行滤波降噪处理，除去了射频电磁波信号中的噪声，从而提高了电磁波能量的转换效率。在信号过滤后，由倍压整流模块最过滤后的信号转化为高压直流电，由于在整流时因二极管的性质，在非线性区会产生高次谐波，会具有高频率，短时的强大振荡脉冲，会导致损坏设备，因此通过耦合稳压模块对高压直流电进行耦合和稳压处理，可消除了电磁干扰，还可以使通过整流以后得到的直流电压趋于平衡和稳定，不会对设备造成损伤。最后得到的稳压电能经功率放大模块放大后存储至电能存储模块中，在使用时，将存储模块连接外部设备即可对外部设备进行稳定供电，从而实现安全地把自由空间电磁波安全无损失的输送到外部负载设备进行充电。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，该供电系统还包括阻抗匹配模块。

所述阻抗匹配模块用于通过阻抗匹配方式将所述射频电磁波信号从所述信号接收模块传输至所述滤波降噪模块。

采用上述进一步方案的有益效果是，通过采用阻抗匹配方式将所述射频电磁波信号从所述信号接收模块传输至所述滤波降噪模块，以此来达到所有高频的微波信号均能传递至负载点的目的，而且几乎不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。

进一步，所述功率放大模块具体包括功率识别单元和功放调节单元。

所述功率识别单元用于识别需要供电的外部设备的电池功率。

所述功放调节单元用于将所述稳压电能的功率调节至与所述电池功率一致。

采用上述进一步方案的有益效果是，通过设置功率识别单元和功放调节单元，在给不同设备充电时，可以先由功率识别单元获取该设备电池功率，并由功放调节单元将本供电系统的输出功率调节至与该设备电池功率一致。从而可以满足不同设备的供电。

进一步，该供电系统还包括保护模块。

所述电路保护模块用于在所述储能模块的充电电压不稳定时切断充电。

采用上述进一步方案的有益效果是，通过设置电路保护模块对储能模块进行保护，避免如果电压不稳时持续进行充电，会导致能量储存模块损坏，甚至爆炸等情况。

本发明为了解决上述技术问题还提供一种基于射频电磁波能量收集的供电方法。

其技术方案如下：一种基于射频电磁波能量收集的供电方法，包括如下步骤：

接收自由空间的射频电磁波信号，并对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理，以得到滤波信号。

将所述滤波信号进行整流和倍压处理，以得到高压直流电。

对所述高压直流电进行耦合和稳压处理，得到稳压电能。

将所述稳压电能进行功率放大，得到功率放大后的电能，并对所述功率放大后的电能进行存储。

进一步，在所述接收自由空间的射频电磁波信号之后，通过阻抗匹配方式将所述射频电磁波信号进行传输。

进一步，所述对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理具体为：通过卡尔曼滤波器对所述射频电磁波信号进行处理。

采用上述进一步方案的有益效果是，通过卡尔曼滤波器对所述射频电磁波信号进行处理，可有效除去信号中的噪声，进而提高能量转换效率。

进一步，该方法还包括如下步骤：

当需要对外部设备进行供电时，获取所述外部设备的电池功率，并将所述稳压电能的功率调整至与所述电池功率一致后输出到所述外部设备。

采用上述进一步方案的有益效果是，通过根据外部设备的电池功率调整稳压电能的功率，可适用于不同的外部设备，具有广泛的适用性。

本发明为了解决上述技术问题还提供一种基于射频电磁波能量收集的供电装置。

其技术方案如下：一种基于射频电磁波能量收集的供电装置，包括依次连接的接收天线、阻抗匹配电路、滤波降噪电路、倍压整流电路、耦合稳压电路、功率放大电路以及能量存储器。

所述接收天线用于接收自由空间的射频电磁波信号。

所述阻抗匹配电路用于将所述射频电磁波信号进行传输。

所述滤波降噪电路用于对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理，以得到滤波信号。

所述倍压整流电路用于将所述滤波信号进行整流和倍压处理，以得到高压直流电。

所述耦合稳压电路用于对高压直流电进行耦合和稳压处理，以得到稳压电能。

所述功率放大电路用于将所述稳压电能的电压进行功率放大，得到功率放大后的电能。

所述能量存储器用于对所述放大后的电能进行存储。

所述能量存储器还与外部设备连接，以对所述外部设备供电。

其有益效果是，通过接收天线、阻抗匹配电路、滤波降噪电路、倍压整流电路、耦合稳压电路、功率放大电路以及能量存储器构成的供电装置，实现了供电装置的集成化，便于携带使用。其中，通过阻抗匹配电路避免能量传输过程中能量的损失。通过滤波降噪电路除去信号中的噪声，提高了能量转换的效率。通过耦合稳压电路对信号进行耦合和稳压处理，避免了电路之间的电磁干扰。从而提高了供电装置的供电的效率和稳定性。

进一步，所述能量存储器与所述外部设备之间还连接有保护电路。

所述保护电路用于在所述能量存储器的充电电压不稳定时切断充电。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于射频电磁波能量收集的供电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于射频电磁波能量收集的供电方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于射频电磁波能量收集的供电装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于射频电磁波能量收集的供电系统，包括：

信号接收模块，用于接收自由空间的射频电磁波信号。

滤波降噪模块，用于对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理，以得到滤波信号。

倍压整流模块，用于将所述滤波信号进行整流和倍压处理，以得到高压直流电。

耦合稳压模块，用于对高压直流电进行耦合和稳压处理，以得到稳压电能。

功率放大模块，用于将所述稳压电能进行功率放大，得到功率放大后的电能。

电能储能模块，用于对所述放大后的电能进行存储以及对外部设备进行供电。

可选地，该供电系统还包括阻抗匹配模块。

所述阻抗匹配模块用于通过阻抗匹配方式将所述射频电磁波信号从所述信号接收模块传输至所述滤波降噪模块。

需要说明的是，阻抗匹配具体为使信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态。

此处，通过采用阻抗匹配方式将所述射频电磁波信号从所述信号接收模块传输至所述滤波降噪模块，以此来达到所有高频的微波信号均能传递至负载点的目的，而且几乎不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。

需要说明的是，自由空间是指可以传播电磁波的所有空间，例如大气、真空等等。

可选地，所述功率放大模块具体包括功率识别单元和功放调节单元。

所述功率识别单元用于识别需要供电的外部设备的电池功率。

所述功放调节单元用于将所述稳压电能的功率调节至与所述电池功率一致。通过设置功率识别单元和功放调节单元，在给不同设备充电时，可以先由功率识别单元获取该设备电池功率，并由功放调节单元将本供电系统的输出功率调节至与该设备电池功率一致。从而可以满足不同设备的供电。

可选地，该供电系统还包括保护模块。所述电路保护模块用于在所述储能模块的充电电压不稳定时切断充电。通过设置电路保护模块对储能模块进行保护，避免如果电压不稳时持续进行充电，会导致能量储存模块损坏，甚至爆炸等情况。

如图2所示，本发明实施例提供的一种基于射频电磁波能量收集的供电方法，包括如下步骤：

接收自由空间的射频电磁波信号，并对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理，以得到滤波信号。

将所述滤波信号进行整流和倍压处理，以得到高压直流电。

对所述高压直流电进行耦合和稳压处理，得到稳压电能。

将所述稳压电能进行功率放大，得到功率放大后的电能，并对所述功率放大后的电能进行存储。

可选地，在所述接收自由空间的射频电磁波信号之后，通过阻抗匹配方式将所述射频电磁波信号进行传输。

可选地，所述对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理具体为：通过卡尔曼滤波器对所述射频电磁波信号进行处理。

需要说明的是，卡尔曼滤波器是一种由卡尔曼(Kalman)提出的用于时变线性系统的递归滤波器。这个系统可用包含正交状态变量的微分方程模型来描述，这种滤波器是将过去的测量估计误差合并到新的测量误差中来估计将来的误差。

此处，通过卡尔曼滤波器对所述射频电磁波信号进行处理，可有效除去信号中的噪声，进而提高能量转换效率。

在对信号进行滤波降噪处理的另一种实施方式中，可以用信息技术中深度学习，机器学习等技术对信号进行分析并重构，以此达到降噪声的目的。

具体地，当信号收集过来，会带有很多白噪声、色噪声以及电磁波中的高次谐波。当被输送到滤波器中，滤波器会对信号的状态进行估计，通过信号的不同时刻的状态可以基于上一时刻的对当前时刻的信号进行估计和测量，从而在测量值和估计值中间找到一个最佳的值，能够使信号的状态误差降到最小。在这个过程中，所有的噪声造成的状态误差会被舍弃，从而达到滤波的目的。采用信息技术，可以对当前信号进行压缩，提高信号构建阈值，这样会舍弃信号中噪声的部分，从而使有用的信号变得稀疏，更加方便进行信号重构。

另外，可选地，该方法还包括如下步骤：

当需要对外部设备进行供电时，获取所述外部设备的电池功率，并将所述稳压电能的功率调整至与所述电池功率一致后输出到所述外部设备。通过根据外部设备的电池功率调整稳压电能的功率，可适用于不同的外部设备，具有广泛的适用性。

如图3所示：本发明实施例提供的一种基于射频电磁波能量收集的供电装置，包括依次连接的接收天线、阻抗匹配电路、滤波降噪电路、倍压整流电路、耦合稳压电路、功率放大电路以及能量存储器。所述能量存储器还与外部设备连接，以对所述外部设备供电。

在实际应用中，信号接收由接收天线完成，通过接收天线收集来自由空间的射频电磁波，并且信号传输到阻抗匹配电路。阻抗匹配用于传输线，把所有高频率的射频微波信号进行下一步传递。而滤波降噪电路用于把信号中的噪声除去，具体的，可以通过最佳线性滤波器(卡尔曼滤波器)把来自自由空间中的噪声滤掉。也可以用信息技术中深度学习，机器学习等技术对信号进行分析并重构，以此达到降噪声的目的。

然后，倍压整流电路可以将射频信号转化为直流电，具体可以采用肖特基二极管搭建倍压电路，把转换过的直流电进行倍数增压，并且根据不同的倍压电路选择不同容值的耦合电容，由此通过高频信号，并且抑制由二极管的非线性性质产生的高次谐波。信号传输到整流器之后，由于二极管的性质，在非线性区会产生高次谐波，具有高频率，短时的强大振荡脉冲，会损坏设备。故需在倍压整流电路后连接耦合稳压电路，其中，耦合稳压电路可包括耦合器和稳压器，通过耦合稳器，可以使所有的振荡消失，并且以柔和的方式下降，这个过程不会造成由于振荡引起的设备损坏。这种方法不仅能够消除电磁干扰，还可以使通过整流以后得到的直流电压趋于平衡和稳定，不会对设备进行损伤。

最后，电能通过功率放大电路进行放大后输出至能量存储器进行存储。当外部设备需要供电时可连接能量存储器由能量存储器进行供电。

可选地，功率放大电路可包括功率识别芯片和可调节式功率放大器，针对不同设备，可通过识别芯片读取设备电池的容量和功率，然后将信息传递到驱动电路，例如桥式电路，驱动电路会进行电流调节，以调节可调节式功率放大器的增益，即放大倍数。并且通过PID控制方法，使电池容量达到饱和以后，切断电路，停止充电，或者使用保护电路终止充电过程。从而适应不同设备的供电。

其中，所述能量存储器与所述外部设备之间还连接有保护电路，用于在所述能量存储器的充电电压不稳定时切断充电。由于能量存储器的储存的方式可以有很多种，例如可以用蓄电池，电容和锂电池把直流电储存起来。但是由于能量储存设备的设计特性，化学性质相对活泼，化学元素的活动性更会由于加入外电场而改变。所以，如果电压不稳或者持续进行充电，会导致能量储存模块损坏，电容爆炸。所以，设计保护电路进行对能量储存的二次保护。保护电路同样可以起到稳压耦合以及自动切断的作用。

在具体应用中，本实施例的供电装置可将各个电路或模块进行集成和打板设计，将模块集成为独立的模块，能够通过嵌入式系统把模块集成到设备主板或者即插即用式独立模块。

综上所述,本实施例提供的基于射频电磁波能量收集的供电系统，通过在信号接收模块对自由空间的射频电磁波信号进行接收后，利用滤波降噪模块对射频电磁波信号进行滤波降噪处理，除去了射频电磁波信号中的噪声，从而提高了电磁波能量的转换效率。在信号过滤后，由倍压整流模块最过滤后的信号转化为高压直流电，由于在整流时因二极管的性质，在非线性区会产生高次谐波，会具有高频率，短时的强大振荡脉冲，会导致损坏设备，因此通过耦合稳压模块对高压直流电进行耦合和稳压处理，可消除了电磁干扰，还可以使通过整流以后得到的直流电压趋于平衡和稳定，不会对设备造成损伤。最后得到的稳压电能经功率放大模块放大后存储至电能存储模块中，在使用时，将存储模块连接外部设备即可对外部设备进行稳定供电，从而实现安全地把自由空间电磁波安全无损失的输送到外部负载设备进行充电。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于射频电磁波能量收集的供电系统，其特征在于，包括：

信号接收模块，用于接收自由空间的射频电磁波信号；

滤波降噪模块，用于对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理，以得到滤波信号，所述滤波降噪模块通过机器学习对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理，去除所述射频电磁波信号中的噪声，以得到滤波信号，所述噪声包括白噪声、色噪声以及高次谐波，其中，

所述滤波降噪模块通过机器学习对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理包括：

通过射频电磁波信号的不同时刻的状态，基于上一时刻的射频电磁波信号对当前时刻的射频电磁波信号进行估计和测量，获取所述当前时刻的射频电磁波信号的估计值及测量值，基于所述估计值及所述测量值，获取最佳状态值，所述当前时刻的射频电磁波信号在所述最佳状态值状态误差最小；

倍压整流模块，用于将所述滤波信号进行整流和倍压处理，以得到高压直流电，所述倍压整流模块包括倍压电路，所述倍压电路基于肖特基二极管搭建，所述倍压电路用于对基于所述滤波信号转换的直流电进行倍数增压；

耦合稳压模块，用于对所述高压直流电进行耦合和稳压处理，以得到稳压电能，所述耦合稳压模块还用于消除电磁干扰，所述耦合稳压模块还用于消除所述高压直流电通过所述倍压电路后在非线性区产生的高次谐波；

功率放大模块，用于识别需要供电的外部设备的电池功率并将所述稳压电能的功率调节至与所述电池功率一致，所述功率放大模块具体包括功率识别单元和功放调节单元，所述功率识别单元用于识别需要供电的外部设备的电池功率，所述功放调节单元用于将所述稳压电能的功率调节至与所述电池功率一致；

电能储能模块，用于对放大后的电能进行存储以及对外部设备进行供电。

2.根据权利要求1所述的基于射频电磁波能量收集的供电系统，其特征在于，还包括阻抗匹配模块；

所述阻抗匹配模块，用于通过阻抗匹配方式将所述射频电磁波信号从所述信号接收模块传输至所述滤波降噪模块。

3.根据权利要求2所述的基于射频电磁波能量收集的供电系统，其特征在于，还包括保护模块；

所述保护模块用于在所述储能模块的充电电压不稳定时切断充电。

4.一种基于射频电磁波能量收集的供电方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收自由空间的射频电磁波信号，并通过机器学习对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理，去除所述射频电磁波信号中的噪声，以得到滤波信号，所述噪声包括白噪声、色噪声以及高次谐波，其中，

所述通过机器学习对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理包括：

通过射频电磁波信号的不同时刻的状态，基于上一时刻的射频电磁波信号对当前时刻的射频电磁波信号进行估计和测量，获取所述当前时刻的射频电磁波信号的估计值及测量值，基于所述估计值及所述测量值，获取最佳状态值，所述当前时刻的射频电磁波信号在所述最佳状态值状态误差最小；

将所述滤波信号进行整流和倍压处理，以得到高压直流电，其中，对所述滤波信号进行倍压处理，包括：

基于肖特基二极管搭建倍压电路，通过所述倍压电路对基于所述滤波信号转换的直流电进行倍数增压；

对所述高压直流电进行耦合和稳压处理，得到稳压电能，并消除电磁干扰，消除所述高压直流电通过所述倍压电路后在非线性区产生的高次谐波；

将所述稳压电能进行功率放大，识别需要供电的外部设备的电池功率并将所述稳压电能的功率调节至与所述电池功率一致，得到功率放大后的电能，并对所述功率放大后的电能进行存储。

5.根据权利要求4所述的基于射频电磁波能量收集的供电方法，其特征在于，在所述接收自由空间的射频电磁波信号之后，通过阻抗匹配方式将所述射频电磁波信号进行传输。

6.根据权利要求4所述的基于射频电磁波能量收集的供电方法，其特征在于，所述对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理具体为：通过卡尔曼滤波器对所述射频电磁波信号进行处理。

7.根据权利要求4-6任一项所述的基于射频电磁波能量收集的供电方法，其特征在于，还包括如下步骤：

当需要对外部设备进行供电时，获取所述外部设备的电池功率，并将所述稳压电能的功率调整至与所述电池功率一致后输出到所述外部设备。

8.一种基于射频电磁波能量收集的供电装置，其特征在于，包括依次连接的接收天线、阻抗匹配电路、滤波降噪电路、倍压整流电路、耦合稳压电路、功率放大电路以及能量存储器；

所述接收天线用于接收自由空间的射频电磁波信号；

所述阻抗匹配电路用于将所述射频电磁波信号进行传输；

所述滤波降噪电路用于对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理，以得到滤波信号，所述滤波降噪电路通过机器学习对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理，去除所述射频电磁波信号中的噪声，以得到滤波信号，所述噪声包括白噪声、色噪声以及高次谐波，其中，

所述滤波降噪电路通过机器学习对所述射频电磁波信号进行滤波降噪处理包括：

通过射频电磁波信号的不同时刻的状态，基于上一时刻的射频电磁波信号对当前时刻的射频电磁波信号进行估计和测量，获取所述当前时刻的射频电磁波信号的估计值及测量值，基于所述估计值及所述测量值，获取最佳状态值，所述当前时刻的射频电磁波信号在所述最佳状态值状态误差最小；

所述倍压整流电路用于将所述滤波信号进行整流和倍压处理，以得到高压直流电，所述倍压整流电路包括倍压电路，所述倍压电路基于肖特基二极管搭建，所述倍压电路用于对基于所述滤波信号转换的直流电进行倍数增压；

所述耦合稳压电路用于对所述高压直流电进行耦合和稳压处理，以得到稳压电能，所述耦合稳压电路还用于消除电磁干扰，所述耦合稳压电路还用于消除所述高压直流电通过所述倍压电路后在非线性区产生的高次谐波；

所述功率放大电路用于将所述稳压电能的电压进行功率放大，得到功率放大后的电能，所述功率放大电路具体包括功率识别芯片和可调式功率放大器，所述功率识别芯片用于识别需要供电的外部设备的电池功率，所述可调式功率放大器用于将所述稳压电能的功率调节至与所述电池功率一致；

所述能量存储器用于对功率放大后的电能进行存储；

所述能量存储器还与外部设备连接，以对所述外部设备供电。

9.根据权利要求8所述的基于射频电磁波能量收集的供电装置，其特征在于，所述能量存储器与所述外部设备之间还连接有保护电路；

所述保护电路用于在所述能量存储器的充电电压不稳定时切断充电。

Images