CN110120711B - 基于时间反演的自主动态无线电能接收装置及方法 - Google Patents

基于时间反演的自主动态无线电能接收装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于时间反演的自主动态无线电能接收装置及方法，属于无线输能技术领域。本发明所述装置利用收发隔离模块对输能请求信号和时间反演回传信号实现上下行隔离，实现了通过同一个天线的同一个端口发送输能请求信号和接收时间反演回传信号，消除了输能请求信号发送过程和时间反演信号回传过程中的信道差异，提升了无线能量传输效率；本发明所述方法对无线电能传输的开始、稳定传输和终止3个阶段以及因接收装置移动、传输信道参数发生变化而需要重新输能进行控制，实现了移动接收终端自主完成时间反演无线电能接收的整个过程。本发明可以实现高效率、可移动、无需人工干预的自主时间反演无线电能接收。

Description

基于时间反演的自主动态无线电能接收装置及方法
技术领域
本发明属于无线输能技术领域，具体涉及一种基于时间反演的自主动态无线电能接收装置及方法。
背景技术
近年来，随着智能手机、可穿戴电子、智慧家居、远程医疗、无人工厂等技术的飞速发展，各种中小功率的无线传感器与便携式移动设备数量爆发式增长，由电池或线缆的方式给这些设备供电会带来成本高、定时更换电池、线缆排布冗杂等一系列问题。利用无线的方式进行供电使得这些问题迎刃而解。现有的无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术主要是通过线圈耦合或者天线定向辐射来进行，只能应用于短程或者远程的点对点特殊场景，且能量接收端体积太大。
然而，在众多的物联网应用中，存在多个中距离的、移动的设备需要供电。现有的WPT技术的固有技术瓶颈，极大的限制了它们在大量现有的各类物联网应用场景下的应用与发展。时间反演无线电能传输(Time Reversal Wireless Power Transfer，TR-WPT)是近年来发展出的一个无线电能传输研究新方向。与传统WPT不同，TR-WPT不再以“扩散波”方式进行能量输送，而是借助时间反演(Time Reversal，TR)的空-时聚焦机制，将天线辐射出的电磁能量以“点聚焦波”方式，精准地输送至目标点。
鉴于TR-WPT的先天优势，TR-WPT有望突破各类物联网应用场景下的无线电能传输难题。例如申请号为201710142293.0的中国发明专利申请，公开了一种基于时间反演的分布式无线能量传输方法，利用接收端的信标天线发射电磁波信号，金属丝线阵作为传输载体，运用时间反演，实现了在封闭曲折环境内的能量高效传输。又例如申请号为201810580750.9的中国发明专利申请，公开了一种基于聚焦波的多目标选择性无线输能方法及装置，通过将TRM获取的各个受能目标的TR回传信号进行线性叠加，实现了对多个受能目标的选择性无线电能传输。但上述两个发明专利的接收装置都没有实现从输能请求信号发射到接收TR回传信号并整流给电池充电的整个完整的过程。再例如申请号为201010568332.1的中国发明专利申请，公开了一种基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统和方法，其提出的方案中接收装置虽然实现了无线电能传输的整个过程，但其发射天线和接收天线是两个天线，考虑到天线之间的互耦作用，所以收发天线之间需保持一定的距离，这导致了输能请求信号和TR回传信号传输的信道存在一定的差异，会引起在接收天线处的电磁聚焦效果变差以及聚焦斑或聚焦波束偏离接收天线的问题，直接影响整个无线电能传输系统的效率。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于时间反演的自主动态无线电能接收装置及方法。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于时间反演的自主动态无线电能接收装置，包括双端口天线、收发隔离模块、整流电路模块、输能请求信号发送模块、输能终止信号发送模块、电源通断控制模块和电池；
双端口天线包括2个端口；双端口天线可以是双频双端口天线，利用频率的不同来实现两者的独立，也可以是单频双极化双端口天线，利用极化方式的不同来实现两者的独立等其他信号隔离技术；
收发隔离模块包括3个端口，端口K3到端口K1为上行通道，端口K1到端口K2为下行通道；
双端口天线的端口Port1与收发隔离模块的端口K1相连，用于发送输能请求信号和接收TR回传信号；端口Port2与输能终止信号发送模块相连，用于发送输能终止信号；
收发隔离模块，上行通道将输能请求信号发送模块输出的输能请求信号传送到天线的端口，且信号不会传送到整流电路模块的输入端口；下行通道将天线接收到的TR回传信号传送到整流电路的输入端口，且信号不会传送到输能请求信号发送模块的输出端口；实现上行信号和下行信号之间的隔离，使得发送输能请求信号和接收TR回传信号能够通过同一个天线的同一个端口实现，消除了输能请求信号发送过程和时间反演信号回传过程中的信道差异，提升了无线电能传输效率；
输能请求信号发送模块，与收发隔离模块的端口K3连接，包括第一信号源和第一放大器，第一信号源产生输能请求信号，第一放大器用于放大输能请求信号；
输能终止信号发送模块，与双端口天线的端口Port2连接，包括第二信号源和第二放大器，第二信号源产生输能终止信号，第二放大器用于放大输能终止信号；
电池，用于储存电能；
整流电路模块，输入端与收发隔离模块的端口K2连接，输出端分别与电源通断控制模块和电池连接，用于将双端口天线接收的高频信号整流为直流信号，为电池充电；
电源通断控制模块，输入端与整流电路模块和电池连接，输出端与输能请求信号发送模块和输能终止发送模块连接，通过检测电池电量和整流电路模块输出功率，控制输能请求信号发送模块和输能终止信号发送模块与电池之间的通断，对无线电能传输的开始、稳定传输和终止3个阶段以及因接收装置移动、传输信道参数发生变化而需要重新输能进行控制，实现移动接收终端自主完成时间反演无线电能接收的整个过程。
双端口天线为双频双端口天线或单频双极化双端口天线。
收发隔离模块为环形器或定向耦合器等信号隔离器件。
电源通断控制模块通过单片机数字电路实现或通过MOS管模拟电路实现。
基于上述装置，本发明还提供了一种基于时间反演的自主动态无线电能接收方法，包括以下步骤：
步骤1.当电池的电量P＜预设的需要进行充电的最低电量阈值P1，且整流电路模块输出功率Pout≤0时，电源通断控制模块将输能请求信号发送模块与电池连通T1秒，使电池为输能请求信号发送模块中的信号源和放大器供电；第一信号源产生输能请求信号X(t)(t为时间)并经过第一放大器放大后，经过收发隔离模块的端口K3到达端口K1处的双端口天线的端口Port1，双端口天线将输能请求信号向周围的天线发射天线阵(离散时间反演镜)TRi全向发送，其中1≤i≤N，N为发射天线阵的天线个数；
步骤2.发射天线阵的所有阵元的第一端口接收到响应信号，第i个发射天线的响应信号为
Figure BDA0002030806990000031
其中
Figure BDA0002030806990000032
表示卷积运算，Hi(t)表示信道参数，将响应信号进行时间反演处理(由Yi(t)变换为Yi(-t))后得到的TR回传信号Yi TR(t)＝Yi(-t)再发送至接收装置；
步骤3.双端口天线的端口Port1接收到各个发射天线的TR回传信号
Figure BDA0002030806990000033
经过收发隔离模块的端口K1到达端口K2处的整流电路模块输入端口，进入整流电路模块转化为直流信号，整流电路模块的输出功率为Pout；
步骤1和步骤3的使得发送输能请求信号和接收TR回传信号能够通过同一个天线的同一个端口实现；
步骤4.电源通断控制模块检测Pout，如果Pout＞0，则记录整流电路模块向电池充电的初始时刻的输出功率为Pout1；如果Pout＝0，则电源通断控制模块将输能请求信号发送模块与电池连通T1秒，重复步骤1-步骤3，直到Pout＞0；接收装置开始稳定的进行无线能量接收；
步骤5.当电池的电量P≥预设的充电的最高电量阈值P2时，清空Pout1，电源通断控制模块将输能终止信号发送模块与电池连接T2秒，第二信号源产生输能终止信号S(t)并经过第二放大器放大后，经过双端口天线的端口Port2向周围的发射天线阵TRi全向发送；
步骤6.发射天线阵的所有阵元的第二端口接收输能终止信号，停止发射TR回传信号，整个无线电输能过程结束；
步骤7.当接收装置移动引起双端口天线偏离发射天线形成的聚焦斑，或者是信道参数发生变化，导致接收装置接收到的功率降低为Pout1*s，s为设定的功率下降比例系数，清空Pout1的大小，电源通断控制模块将输能终止信号发送模块与电池连接T2秒，重复步骤1-步骤6，重新进行无线能量接收。
发射天线阵的所有阵元的第一端口与双端口天线的端口port1的工作模式相同，发射天线阵的所有阵元的第二端口与双端口天线的端口port2的工作模式相同，实现了对因接收装置移动、传输信道参数发生变化而需要重新输能的控制。
本发明所述方法实现了移动接收终端自主完成时间反演无线电能接收的整个过程。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用电源通断控制电路，通过对电池电量和接收功率的检测来控制整个无线电能传输过程，实现了动态接收装置自主完成整个无线电能接收过程；
(2)本发明采用收发隔离模块，使得输能请求信号和TR回传信号在接收装置和输能终端共用同一天线，解决了输能请求信号和TR回传信号传输的信道存在差异、聚焦斑偏离接收天线等问题；
(3)本发明采用双端口天线，在实现了无线电能传输的功能基础之上，减少了天线数量，有利于降低成本和集成化。
附图说明
图1为本发明所述无线电能接收装置的结构示意图；
图2为本发明所述无线电能接收方法的流程图；
图3为本发明中输能请求信号发送模块的结构示意图；
图4为本发明中输能终止信号发送模块的结构示意图；
图5为本发明实施例中无线电能传输系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种基于时间反演的自主动态无线电能接收装置，其结构示意图如图1所示，包括双端口天线、收发隔离模块、整流电路模块、输能请求信号发送模块、输能终止信号发送模块、电源通断控制模块和电池；
双端口天线包括2个端口；双端口天线可以是双频双端口天线，利用频率的不同来实现两者的独立，也可以是单频双极化双端口天线，利用极化方式的不同来实现两者的独立等其他信号隔离技术；
收发隔离模块包括3个端口，端口K3到端口K1为上行通道，端口K1到端口K2为下行通道；
双端口天线的端口Port1与收发隔离模块的端口K1相连，用于发送输能请求信号和接收TR回传信号；端口Port2与输能终止信号发送模块相连，用于发送输能终止信号；
收发隔离模块，上行通道将输能请求信号发送模块输出的输能请求信号传送到天线的端口，且信号不会传送到整流电路模块的输入端口；下行通道将天线接收到的TR回传信号传送到整流电路的输入端口，且信号不会传送到输能请求信号发送模块的输出端口；实现上行信号和下行信号之间的隔离；
输能请求信号发送模块，其结构示意图如图3所示，与收发隔离模块的端口K3连接，包括第一信号源和第一放大器，第一信号源产生输能请求信号，第一放大器用于放大输能请求信号；
输能终止信号发送模块，其结构示意图如图4所示，与双端口天线的端口Port2连接，包括第二信号源和第二放大器，第二信号源产生输能终止信号，第二放大器用于放大输能终止信号；
电池，用于储存电能；
整流电路模块，输入端与收发隔离模块的端口K2连接，输出端分别与电源通断控制模块和电池连接，用于将双端口天线接收的高频信号整流为直流信号，为电池充电；
电源通断控制模块，输入端与整流电路模块和电池连接，输出端与输能请求信号发送模块和输能终止发送模块连接，通过检测电池电量和整流电路模块输出功率，控制输能请求信号发送模块和输能终止信号发送模块与电池之间的通断。
双端口天线为双频天线，端口Port1的中心频率为f1，端口的中心频率为f2。
基于上述装置，本实施例还提供了一种基于时间反演的自主动态无线电能接收方法，其流程示意图如图2所示，包括以下步骤：
步骤1.当电池的电量P＜预设的需要进行充电的最低电量阈值P1，P1取20％，且整流电路模块输出功率Pout≤0时，电源通断控制模块将输能请求信号发送模块与电池连通T1秒，T1＝1，使电池为输能请求信号发送模块中的信号源和放大器供电；第一信号源产生频率为f1的输能请求信号X(t)(t为时间)并经过第一放大器放大后，经过收发隔离模块的端口K3到达端口K1处的双端口天线的端口Port1，双端口天线将输能请求信号向周围的天线发射天线阵(离散时间反演镜)TRi全向发送，其中1≤i≤N，N为发射天线阵的天线个数，N＝8；
步骤2.发射天线阵的所有阵元的第一端口接收到响应信号，第i个发射天线的响应信号为
Figure BDA0002030806990000051
其中
Figure BDA0002030806990000052
表示卷积运算，Hi(t)表示信道参数，将响应信号进行时间反演处理(由Yi(t)变换为Yi(-t))后得到的TR回传信号Yi TR(t)＝Yi(-t)再发送至接收装置；
步骤3.双端口天线的端口Port1接收到各个发射天线的TR回传信号
Figure BDA0002030806990000061
经过收发隔离模块的端口K1到达端口K2处的整流电路模块输入端口，进入整流电路模块转化为直流信号，整流电路模块的输出功率为Pout；
步骤4.电源通断控制模块检测Pout，如果Pout＞0，则记录整流电路模块向电池充电的初始时刻的输出功率为Pout1；如果Pout＝0，则电源通断控制模块将输能请求信号发送模块与电池连通T1秒，重复步骤1-步骤3，直到Pout＞0；接收装置开始稳定的进行无线能量接收；
步骤5.当电池的电量P≥预设的充电的最高电量阈值P2时，P2为100％，清空Pout1，电源通断控制模块将输能终止信号发送模块与电池连接T2秒，T2＝1，第二信号源产生频率为f2的输能终止信号S(t)并经过第二放大器放大后，经过双端口天线的端口Port2向周围的发射天线阵TRi全向发送；
步骤6.发射天线阵的所有阵元的第二端口接收输能终止信号，停止发射TR回传信号，整个无线电输能过程结束；
步骤7.当接收装置移动引起双端口天线偏离发射天线形成的聚焦斑，或者是信道参数发生变化，导致接收装置接收到的功率降低为Pout1*s，s为设定的功率下降比例系数，s＝0.9，清空Pout1的大小，电源通断控制模块将输能终止信号发送模块与电池连接T2秒，重复步骤1-步骤6，重新进行无线能量接收。
发射天线阵的所有阵元的第一端口与双端口天线的端口port1的工作模式相同，发射天线阵的所有阵元的第二端口与双端口天线的端口port2的工作模式相同。
本实施例利用电源通断控制模块和收发隔离模块，实现了动态接收装置自主完成整个无线电能接收过程，解决了输能请求信号和TR回传信号传输的信道存在差异、聚焦斑偏离接收天线导致能量传输效率低下等问题，为TR-WPT走向实际应用提供了的技术支持。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于时间反演的自主动态无线电能接收方法，其特征在于，利用基于时间反演的自主动态无线电能接收装置，包括双端口天线、收发隔离模块、整流电路模块、输能请求信号发送模块、输能终止信号发送模块、电源通断控制模块和电池；
双端口天线包括2个端口；双端口天线是双频双端口天线，或是单频双极化双端口天线；
收发隔离模块包括3个端口，端口K3到端口K1为上行通道，端口K1到端口K2为下行通道；
双端口天线的端口Port1与收发隔离模块的端口K1相连，用于发送输能请求信号和接收TR回传信号；端口Port2与输能终止信号发送模块相连，用于发送输能终止信号；
收发隔离模块，上行通道将输能请求信号发送模块输出的输能请求信号传送到天线的端口，且信号不会传送到整流电路模块的输入端口；下行通道将天线接收到的TR回传信号传送到整流电路的输入端口，且信号不会传送到输能请求信号发送模块的输出端口；实现上行信号和下行信号之间的隔离；
输能请求信号发送模块，与收发隔离模块的端口K3连接，包括第一信号源和第一放大器，第一信号源产生输能请求信号，第一放大器用于放大输能请求信号；
输能终止信号发送模块，与双端口天线的端口Port2连接，包括第二信号源和第二放大器，第二信号源产生输能终止信号，第二放大器用于放大输能终止信号；
电池，用于储存电能；
整流电路模块，输入端与收发隔离模块的端口K2连接，输出端分别与电源通断控制模块和电池连接，用于将双端口天线接收的高频信号整流为直流信号，为电池充电；
电源通断控制模块，输入端与整流电路模块和电池连接，输出端与输能请求信号发送模块和输能终止发送模块连接，通过检测电池电量和整流电路模块输出功率，控制输能请求信号发送模块和输能终止信号发送模块与电池之间的通断；
包括以下步骤：
步骤1.当电池的电量P＜预设的需要进行充电的最低电量阈值P1，且整流电路模块输出功率Pout≤0时，电源通断控制模块将输能请求信号发送模块与电池连通T1秒，使电池为输能请求信号发送模块中的信号源和放大器供电；第一信号源产生输能请求信号X(t)，并经过第一放大器放大后，经过收发隔离模块的端口K3到达端口K1处的双端口天线的端口Port1，双端口天线将输能请求信号向周围的天线发射天线阵TRi全向发送，其中1≤i≤N，N为发射天线阵的天线个数；
步骤2.发射天线阵的所有阵元的第一端口接收到响应信号，第i个发射天线的响应信号为
Figure FDA0003531794270000011
其中
Figure FDA0003531794270000012
表示卷积运算，Hi(t)表示信道参数，将响应信号进行时间反演处理后得到的TR回传信号Yi TR(t)＝Yi(-t)再发送至接收装置；
步骤3.双端口天线的端口Port1接收到各个发射天线的TR回传信号
Figure FDA0003531794270000021
经过收发隔离模块的端口K1到达端口K2处的整流电路模块输入端口，进入整流电路模块转化为直流信号，整流电路模块的输出功率为Pout；
步骤4.电源通断控制模块检测Pout，如果Pout＞0，则记录整流电路模块向电池充电的初始时刻的输出功率为Pout1；如果Pout＝0，则电源通断控制模块将输能请求信号发送模块与电池连通T1秒，重复步骤1-步骤3，直到Pout＞0；接收装置开始稳定的进行无线能量接收；
步骤5.当电池的电量P≥预设的充电的最高电量阈值P2时，清空Pout1，电源通断控制模块将输能终止信号发送模块与电池连接T2秒，第二信号源产生输能终止信号并经过第二放大器放大后，经过双端口天线的端口Port2向周围的发射天线阵TRi全向发送；
步骤6.发射天线阵的所有阵元的第二端口接收输能终止信号，停止发射TR回传信号，整个无线电输能过程结束；
步骤7.当接收装置移动引起双端口天线偏离发射天线形成的聚焦斑，或者是信道参数发生变化，导致接收装置接收到的功率降低为Pout1*s，s为设定的功率下降比例系数，清空Pout1的大小，电源通断控制模块将输能终止信号发送模块与电池连接T2秒，重复步骤1-步骤6，重新进行无线能量接收。
2.根据权利要求1所述的基于时间反演的自主动态无线电能接收方法，其特征在于，发射天线阵的所有阵元的第一端口与双端口天线的端口port1的工作模式相同，发射天线阵的所有阵元的第二端口与双端口天线的端口port2的工作模式相同。
3.根据权利要求1所述的基于时间反演的自主动态无线电能接收方法，其特征在于，N＝8。
4.根据权利要求1所述的基于时间反演的自主动态无线电能接收方法，其特征在于，P1＝20％，P2＝100％，s＝0.9。
5.根据权利要求1所述的基于时间反演的自主动态无线电能接收方法，其特征在于，双端口天线为双频双端口天线或单频双极化双端口天线。
6.根据权利要求1所述的基于时间反演的自主动态无线电能接收方法，其特征在于，收发隔离模块为环形器或定向耦合器。
7.根据权利要求1所述的基于时间反演的自主动态无线电能接收方法，其特征在于，电源通断控制模块通过单片机数字电路实现或通过MOS管模拟电路实现。
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