CN110278020A - 无线能量与数据一体化传输的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于无线能量和数据传输的方法和设备，其中方法包括：接收来自于发送端的高频信号；通过分时切换，将接收到的所述高频信号分离成第一路信号和第二路信号；以及对所述第一路信号执行能量处理并且对所述第二路信号执行信息处理。利用本发明的方案，可以实现例如航天测控等系统的无线电测控和无线能量一体化传输，提高传输效率。

Description

无线能量与数据一体化传输的方法和设备
技术领域
本发明一般地涉及无线电测控技术。更具体地，本发明涉及无线能量与数据一体化传输的方法和设备。
背景技术
在传统航天任务中，天基、地基测控系统主要完成卫星跟踪测量与数据传输等任务。未来航天任务出现了新的发展态势：1、新载荷或大载荷对能量需求高，如激光、微波等大功率载荷、大型光学相机或大型雷达；2、新型在轨推进系统的兴起对能量需求高，如电火箭、核火箭，可持续在轨利用电能进行高频次点火。相比而言，卫星能量一般由地面携带或在轨就位获取，在轨能量是有限的，但地面能量是“无穷无尽”的。利用测控系统实现能量传输，将地面能量“源源不断”地输送到在轨卫星上，能给未来卫星在轨应用与试验提供更加强有力的“生命保障”。因此，未来航天任务对测控系统的需求不再仅仅限于跟踪测量与数据传输，进一步的需求是能量传输。
传统上，航天无线电测控主要用于星地之间、卫星之间传输信息数据。信息数据寄生在无线电能量信号之上。接收端先收到一定功率的无线电信号，后利用无线电信号解调恢复出发送端传输的信息。航天无线电测控除了能远距离传输数据外，也能利用微波功率信号实现远距离传输能量。
无线电能量传输的基本原理是利用天线接收辐射的微波能量(来自于高频信号)，并通过低通滤波器、整流器(包括二极管和输出滤波器)整流为直流能量，其基本原理如图1所示。图1中的低通滤波器安装在整流天线和整流器之间，防止二极管高谐的再次反射。输出滤波器用于稳定直流电流，增加射频到直流的转换效率。
无线电数据传输的基本原理是利用天线接收辐射的高频信号，并通过输入本地参考信息完成相干解调，通过低通滤波器、变频器完成基带信号恢复(即转换为中频信号)，利用解码器完成信息解调，其基本原理如图2所示。
无论是无线电能量传输还是无线电数据传输，在射频部分可利用的无线电波可以是微波或毫米波，既可以利用同一波束同时传输也可以利用不同波束分别传输。不同波束分别传输可以是不同波束分时传输、不同波束同时传输。因时空关系的约束，卫星与地面之间、卫星与卫星之间可见时间有限，需要一种直接高效的方式来对卫星同时进行数据传输和能量传输。
发明内容
鉴于上文背景技术部分所描述的一个或多个问题，本发明提出星地之间、卫星之间基于同一波束利用单波束时分体制来实现能量传输和数据传输的解决方案。
在一个方面中，本发明提供一种用于无线能量和数据传输的方法，包括：接收来自于发送端的高频信号；通过实时高频切换或分时切换，将接收到的所述高频信号分离成第一路信号和第二路信号；以及对所述第一路信号执行能量处理并且对所述第二路信号执行信息处理。
在一个实施例中，其中使用面阵天线来接收所述高频信号。
在另一个实施例中，其中所述面阵天线的子阵元是喇叭天线、抛物线天线、微带天线和相控阵天线中的一种。
在又一个实施例中，其中所述分时切换包括实时高频切换以在全弧段同时传输能量和数据，或者分时操作以在同一弧段中令第一路信号具有高仰角而第二路信号具有低仰角。
在额外的实施例中，其中接收所述高频信号包括接收S频段或Ka频段的高频信号。
在另一个方面中，本发明提供一种用于无线能量和数据传输的设备，包括：接收天线，其配置成接收来自于发送端的高频信号；电子开关，其配置成对接收到的所述高频信号进行实时高频切换或分时切换，以将所述高频信号分离成第一路信号和第二路信号；能量处理部，其配置成对第一路信号执行能量处理；以及信息处理部，其配置成对第二路信号执行信息处理。
在一个实施例中，其中所述接收天线包括面阵天线。
在另一个实施例中，其中所述面阵天线的子阵元是喇叭天线、抛物线天线、微带天线和相控阵天线中的一种。
在又一个实施例中，其中所述分时切换包括实时高频切换以在全弧段同时传输能量和数据，或者分时操作以在同一弧段中令第一路信号具有高仰角而第二路信号具有低仰角。
在额外的实施例中，其中所述接收天线配置成接收S频段或Ka频段的高频信号。
由于基于同一波束利用时分体制，本发明的发送端可以保持传统无线电测控处理流程、功能不变，从而避免发送端的修改。而本发明的接收端可共用同一天线，接收天线后端通过电子开关分时切换能量处理(整流)与信息处理(测控)功能，实现了航天测控系统传统无线电测控和无线能量传输功能。另外，同一测控圈次中，因信号随传输距离的严重衰减，低仰角情况下利用低能量信号传输数据实现测控功能，高仰角情况下利用高能量信号传输能量，充分利用了数据和能量传输的各自特点，实现了优势互补。
附图说明
通过阅读仅作为示例提供并且参考附图进行的以下描述，将更好地理解本发明及其优点，其中：
图1是示出无线电能量传输的基本原理的方框图；
图2是示出无线电数据传输的基本原理的方框图；
图3是示出根据本发明的实施例的用于无线能量和数据传输的方法的流程图；
图4是示出根据本发明的实施例的用于无线能量和数据传输的设备的方框图；
图5是示出根据本发明的实施例的信号发射端组成的示意图；以及
图6是示出根据本发明的实施例的信号接收端组成的示意图。
具体实施方式
本发明的技术方案利用同一波束实现无线能量与数据一体化传输，由于使用的是同一频率，地面或卫星等发送端可共用同一天线，发射前端维持现有测控的基本处理流程、功能不变。在接收端可共用同一天线，接收天线后端通过功分器，分离一路信号用于能量处理(整流)，一路信号用于信息处理(测控)功能。
下面将结合附图对本发明的方案进行详细地描述。
图3是示出根据本发明的实施例的用于无线能量和数据传输的方法300的流程图。如图3中所示，方法300开始于步骤S302，在该步骤中，接收来自于发送端的高频信号。接着，在步骤S304处，根据功率的不同，将接收到的所述高频信号分离成两路信号，其中所述两路信号中的第一路信号具有较高功率而第二路信号具有较低功率。最后，在步骤S306处，对第一路信号执行能量处理并且对第二路信号执行信息处理。
在一个实施例中，本发明的接收端使用一副天线，因波束在空间的发散性，为提高能量传输效率，尽可能地增加能量收集面积，可以考虑使用面阵天线。在一个实施例中，面阵天线的子阵元可以是喇叭天线、抛物线天线、微带天线和相控阵天线，推荐使用微带天线或相控阵，微带天线、相控阵天线与接收面阵进行一体设计，可提高有效接收口径。
在又一个实施例中，其中对所述第一路信号执行能量处理包括对所述第一路信号执行整流处理，则对所述第二路信号执行信息处理包括对所述第二路信号执行测控处理。
在额外的实施例中，其中接收所述高频信号包括接收S频段或Ka频段的高频信号。
图4是示出根据本发明的实施例的用于无线能量和数据传输的设备400的方框图。如图4中所示，该设备400包括接收天线402，其配置成接收来自于发送端的高频信号，例如接收频率可以使用现有S频段，也可以使用更高频率，如Ka频段，频率越高波束越集中。面阵天线的子阵元可以是喇叭天线、抛物线天线、微带天线和相控阵天线，优先地使用微带天线或相控阵，微带天线、相控阵天线与接收面阵进行一体设计，可提高有效接收口径。
该设备400还包括电子开关404，其配置成其配置成对接收到的所述高频信号进行实时高频切换或分时切换，以将所述高频信号分离成第一路信号和第二路信号。进一步，设备400还包括能量处理部406和信息处理部408，其中能量处理部406配置成对第一路信号执行能量处理，而信息处理部408配置成对第二路信号执行信息处理。
在一个实施例中，其中能量处理部406配置成对所述第一路信号执行整流处理，而所述信息处理部408配置成对所述第二路信号执行测控处理。可以看出，本发明的接收天线后端通过电子开关，分离出第一路信号用于能量处理(例如整流)，分离出第二路信号用于信息处理(例如测控)功能。在又一个实施例中，其中所述接收天线配置成接收S频段或Ka频段的高频信号。
图5是示出根据本发明的实施例的信号发射端组成的示意图。如图5中所示，其用于上行数据的信息编码(含信源编码和信道编码)，低通滤波器504，其用于上行中频信号的滤波，防止高频噪声进入变频器、放大器，变频器508接收中频信号506并且用于中频信号变频为射频信号，并且将变频后的高频信号510通过天线512向接收端辐射，完成测控上行信号发送。本发明的地面或卫星等发送端可共用同一天线，发射端维持现有测控的基本处理流程和功能不变，减小了对现有系统的改变。
图6是示出根据本发明的实施例的信号接收端组成的示意图。如图6所示，接收天线602接收高频信号604，该高频信号604通过电子开关606进行分时切换，以分成第一路和第二路的两路信号，其中所述分时切换包括实时高频切换以在全弧段同时传输能量和数据，或者分时操作以在同一弧段中令第一路信号具有高仰角而第二路信号具有低仰角。例如，当执行实时高频(如kHz或10kHz量级)切换，全弧段同时传输能量和数据，而在分时工作，如在同一弧段中，仰角5°～10°用于测控，仰角10°以上用于能量传输。在执行能量处理的第一路信号中，低通滤波器608用于下行射频信号的滤波，防止高频噪声进入整流器，而整流器610包括二极管612和输出滤波器614，其用于射频电流变换为直流，并稳定其直流输出。电池616接收输出滤波器的能量，以便对如电池616所提供的直流电流进行稳定，从而增加了射频到直流电流的转换效率。
对于两路信号中的用于执行测控处理的第二路信号中，其将与本地参考信息618进行相干解调，通过低通滤波器620和变频器622将高频信号转换成中频信号624，以完成基带信号的恢复，最后利用解码器626对信号进行解调。与发射端相对应，此处的低通滤波器620用于下行射频信号的滤波，防止高频噪声进入变频器，而变频器622用于射频信号变换为中频信号。
由于基于同一波束利用时分体制，本发明的发送端可以保持传统无线电测控处理流程和功能不变，从而避免发送端的改动。另外，本发明的接收端通过电子开关分离一路较高能量的信号用于能量处理(整流)，一路较低能量的信号用于信息处理(测控)功能，实现了航天测控系统传统无线电测控和新的无线能量传输功能，提高了传输效率。
本发明的方法中的部分操作或组成还可以通过在计算机可读的记录介质以计算机可读代码来体现。计算机可读记录介质包括存储可通过计算机系统解读的数据的所有种类的记录介质。该记录介质例如可以包括但不限于只读存储器(ROM，“Read OnlyMemory”)、随机存取存储器(RAM，“Random Access Memory”)、磁盘、磁盘、光盘、闪存等。进一步，这些计算机可读的记录介质可以通过通信网络(包括计算机通信网络、蜂窝通信网络或局域域通信网络)在各个通信实体之间传播或扩散，从而也可以通过任意的方式来运行存储在计算机可读存储介质上的计算机可读指令或计算机可执行代码。
虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用于无线能量和数据传输的方法，包括：
接收来自于发送端的高频信号；
通过分时切换，将接收到的所述高频信号分离成第一路信号和第二路信号；以及
对所述第一路信号执行能量处理并且对所述第二路信号执行信息处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其中使用面阵天线来接收所述高频信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述面阵天线的子阵元是喇叭天线、抛物线天线、微带天线和相控阵天线中的一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述分时切换包括实时高频切换以在全弧段同时传输能量和数据，或者分时操作以在同一弧段中令第一路信号具有高仰角而第二路信号具有低仰角。
5.根据权利要求1所述的方法，其中接收所述高频信号包括接收S频段、X频段或Ka频段的高频信号。
6.一种用于无线能量和数据传输的设备，包括：
接收天线，其配置成接收来自于发送端的高频信号；
电子开关，其配置成对接收到的所述高频信号进行分时切换，以将所述高频信号分离成第一路信号和第二路信号；
能量处理部，其配置成对第一路信号执行能量处理；以及
信息处理部，其配置成对第二路信号执行信息处理。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述接收天线包括面阵天线。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述面阵天线的子阵元是喇叭天线、抛物线天线、微带天线和相控阵天线中的一种。
9.根据权利要求6所述的设备，其中所述分时切换包括实时高频切换以在全弧段同时传输能量和数据，或者分时操作以在同一弧段中令第一路信号具有高仰角而第二路信号具有低仰角。
10.根据权利要求6所述的设备，其中所述接收天线配置成接收S频段或Ka频段的高频信号。
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