CN110416733B - 一种非视距环境下的电磁能量聚焦方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非视距环境下的电磁能量聚焦方法及装置，本发明将多个目标焦点视为虚拟点源，反向传播到天线的孔径上，并将元素仅放置在反向传播的孔径场和导模参考之间的相位差低于某个阈值的点上。该过程的第一步是确定虚拟点源，该点源的位置在需要实现光束聚焦的位置。本发明提出一种软件定义无线环境下的菲涅尔区多点聚焦方法，该方法在非视距环境下也具有的较高的传播效率，以解决现有技术存在的问题。

Description

一种非视距环境下的电磁能量聚焦方法及装置
技术领域
本发明属于电磁能量聚焦领域，具体涉及一种非视距环境下的电磁能量聚焦方法及装置。
背景技术
电磁能量聚焦技术是指将天线辐射场聚焦在近场区的多个特定的点上，从而增加聚焦区域的电磁能量，提高能量传输效率。该技术在如近场成像、医疗、无损检测和无线能量传输等一些新兴的应用中具有巨大的潜力。
近场之所以能够聚焦能量，在于电磁能量聚焦技术能够获得超过衍射极限的分辨率。因此，在天线孔径上适当的相位分布，可以在近场区域获得良好的聚焦特性。
在过去的几十年中，提出了许多聚焦方案。在这些方案中，一种可行的实现相位分布的方法是使用金属反射镜。抛物面反射镜可以将沿轴线行进的入射平面波转换为向焦点汇聚的球面波。然而，在近场区很难获得平面波的馈源，特别是在一定功率聚焦条件下。因此，人们在利用平面阵列天线产生近场聚焦光束方面做了大量的工作。此外，人们提出一种利用阵列天线在近场区聚焦于一点的方法，采用宽带U型槽微带贴片天线单元和集成微带馈源网络，可用于建立更有效的微波传感检测技术。微带阵列近场聚焦天线具有外形小、质量轻、制造成本低、易于部署等优点，在工业传感应用中受到高度重视。然而，对于贴片阵列，这种结构通常会导致复杂的馈电网络，而对于波纹结构，则会导致不利于动态成形的配置。
近年来，出现了控制无线传播环境特性的新思想，利用可编程超表面加强透镜效应及其模块单元超贴片任意调控反射角的功能来减轻路径损耗，用以增加电磁波的传输距离和解决非视距传输问题。电磁超表面是由数百或数千个周期性子波长元件组成，可以用简单而低成本的印刷电路板工艺制造。通过调整超表面的每个元素的特性，可以在空间上控制散射波的相位，从而塑造波前。可编程无线环境是通过在平面物体(如室内环境中的墙壁和天花板)上涂上超贴片(即任何上述技术的矩形面板)而产生的，他们之间具有互联功能，以便允许中央服务器连接到任何模块，获取其状态并以自动方式设置其电磁功能。然而现有技术却无法应用到非视距环境中。
发明内容
针对上述现有技术无法应用到非视距环境中的问题，本发明的目的是提供一种非视距环境下的电磁能量聚焦方法及装置，用以解决现有技术中存在的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种非视距环境下的电磁能量聚焦装置，包括电磁功能控制器、电磁发射器和电磁超表面模块A，所述电磁超表面模块A布设在非视距环境中，电磁超表面模块A布设在k个需要聚焦的焦点附近，电磁超表面模块A上设置多个超贴片单元，多个超贴片单元均与一个IOT网关互联，IOT网关与电磁功能控制器互联，电磁功能控制器与电磁发射器互联。
所述电磁功能控制器根据电磁发射器与电磁超表面模块A的位置信息，通过无线控制链路控制电磁发射器朝向电磁超表面模块A发射电磁波；电磁功能控制器通过IOT网关控制电磁超表面模块A，使电磁超表面模块A具备电磁波全息功能。
所述电磁发射器与电磁超表面模块A之间至少设置一个电磁超表面模块B，电磁超表面模块B上设置多个超贴片单元，多个超贴片单元均与一个IOT网关互联，IOT网关与电磁功能控制器互联。
所述电磁功能控制器根据电磁发射器与电磁超表面模块B的位置信息，通过无线控制链路控制电磁发射器朝向电磁超表面模块B发射电磁波；电磁功能控制器通过IOT网关控制电磁超表面模块B，使电磁超表面模块B具备电磁波完全反射功能；电磁功能控制器通过IOT网关控制电磁超表面模块A，使电磁超表面模块A具备电磁波全息功能。
一种非视距环境下的电磁能量聚焦方法，包括：
ST1：在非视距环境中布设电磁超表面模块A，电磁超表面模块A布设在k个需要聚焦的焦点附近，电磁超表面模块A上设置多个超贴片单元，电磁超表面模块A上的多个超贴片单元均与一个IOT网关互联；
ST2：IOT网关与电磁功能控制器互联，电磁功能控制器与电磁发射器互联；
ST3：电磁功能控制器通过IOT网关控制电磁超表面模块A，使电磁超表面模块A具备电磁波全息功能；
ST4：电磁功能控制器根据电磁发射器与电磁超表面模块A的位置信息，通过无线控制链路控制电磁发射器朝向电磁超表面模块A发射电磁波，并形成电磁超表面模块A的参考波；
ST5：电磁功能控制器根据k个需要聚焦的焦点的位置，以及电磁超表面模块A的位置信息并集合电磁超表面模块A的参考波参数，预先设置具备电磁波全息功能的电磁超表面模块A；
ST6：根据ST5，电磁超表面模块A在参考波的入射下，便会在电磁超表面模块A上形成了获得k个焦点应该具备的场的分布，因此，即在相应的位置形成了k个焦点，达到了能量聚焦的效果。
一种非视距环境下的电磁能量聚焦方法，包括：
ST1：在非视距环境下布设电磁超表面模块A和至少一个电磁超表面模块B，电磁超表面模块A布设在k个需要聚焦的焦点附近，电磁超表面模块B布设在电磁发射器和电磁超表面模块A之间，电磁超表面模块A和电磁超表面模块B上均设置多个超贴片单元，相应电磁超表面模块上的多个超贴片单元均与其对应的一个IOT网关互联；
ST2：各个IOT网关均与电磁功能控制器互联，电磁功能控制器与电磁发射器互联；
ST3：电磁功能控制器通过IOT网关控制电磁超表面模块A，使电磁超表面模块A具备电磁波全息功能；电磁功能控制器通过IOT网关控制电磁超表面模块B，使电磁超表面模块B具备电磁波完全反射功能；
ST4：电磁功能控制器根据电磁发射器与电磁超表面模块B的位置信息，通过无线控制链路控制电磁发射器朝向电磁超表面模块B发射电磁波；通过IOT网关控制电磁超表面模块B反射的电磁波辐射到电磁超表面模块A上，并形成电磁超表面模块A的参考波；
ST5：电磁功能控制器根据k个需要聚焦的焦点的位置，以及电磁超表面模块A的位置信息并集合电磁超表面模块A的参考波参数，预先设置具备电磁波全息功能的电磁超表面模块A；
ST6：根据ST5，电磁超表面模块A在参考波的入射下，便会在电磁超表面模块A上形成了获得k个焦点应该具备的场的分布，因此，即在相应的位置形成了k个焦点，达到了能量聚焦的效果。
所述ST3中，使电磁超表面模块A具备电磁波全息功能的过程包括：
1)、首先把需要聚焦的k个焦点看作一个个点源，每个点源对应在电磁超表面模块A上需要有一个电磁场的分布；
2)、上述电磁场的分布之和即形成k个焦点时，所对应的电磁超表面模块A上应该具有的电磁场总的分布；
3)、把电磁发射器发射的电磁波或电磁超表面模块B反射到电磁超表面模块A上的波称作参考波，参考波与电磁超表面模块A上应该具有的电磁场总的分布形成干涉，即可以得到电磁超表面模块A的设置，也就是说通过电磁功能控制器控制电磁超表面模块A具有形成干涉条纹的设置，即记录以上干涉条纹；
4)、当参考波入射具备电磁波全息功能的电磁超表面模块A时，通过参考波与具备电磁波全息功能的电磁超表面模块A的干涉条纹作用，即会在电磁超表面模块A上形成“电磁超表面模块A上应该具有的电磁场总的分布”；
5)、总的电磁场分布即会在k个相应位置形成k个具体的焦点。
所述ST4、和ST5中，电磁功能控制器获得电磁发射器、电磁超表面模块A和电磁超表面模块B的位置信息，可以是环境确定好后，电磁功能控制器应该具有的预先设定的信息；而对于k个需要聚焦的焦点的位置，可以通过当前无线通信系统中具有的定位方法或者是第三方定位服务获得。
所述无线控制链路是双向传输的。
本发明的有益效果为：本发明提供的非视距环境下的电磁能量聚焦方法及装置将多个目标焦点视为虚拟点源，反向传播到天线的孔径上，并将元素仅放置在反向传播的孔径场和导模参考之间的相位差低于某个阈值的点上，该过程的第一步是确定虚拟点源，该点源的位置在需要实现光束聚焦的位置，提出一种软件定义无线环境下的菲涅尔区多点聚焦方法，该方法在非视距环境下具有较高的传播效率，不仅电磁能量聚焦效率高，而且能应用到非视距环境下。
附图说明
图1是实施例一的装置示意图。
图2是实施例一的原理流程图。
图3是实施例一超贴片单元的结构示意图。
图中，1是电磁功能控制器，2是电磁发射器，3是电磁超表面模块B，4是电磁超表面模块A，5是IOT网关，6是焦点，7是遮挡物，8是材料功能层，9是感知激励层，10是屏蔽层，11是计算层，12是通信层。
具体实施方式
实施例一
如图1～3所示，实施例一需要两个电磁超表面模块才能实现电磁能量聚焦功能。
包括如下操作步骤：
ST1：在非视距即存在遮挡物7的环境中布设电磁超表面模块B3和电磁超表面模块A4，电磁超表面模块B3布设在电磁发射器2附近，电磁超表面模块A4布设在k个需要聚焦的焦点6附近，电磁超表面模块B3和电磁超表面模块A4上均设置多个超贴片单元，相应电磁超表面模块上的多个超贴片单元均与其对应的一个IOT网关5互联。
ST2：各个IOT网关均与电磁功能控制器1互联，电磁功能控制器1与电磁发射器2互联。
其中，IOT网关5起到一个路由的功能，IOT网关5一方面可以将收到的控制指令有效地传达到相应的超贴片单元上，另一方面可以将超贴片单元接收的信息传递给电磁能量控制器1。
其中，超贴片单元为可编程超表面，为现有技术，包括材料功能层8、感知激励层9、屏蔽层10、计算层11和通信层12，从上而下依次复合，通信层12与电磁超表面模块有效连接；材料功能层8通过可重新配置得到定制的电磁波特性，包括CMOS开关和石墨烯，通过控制偏置电压来调控CMOS和石墨烯的状态；感知激励层9根据配置信息激励材料功能层8，包括传感器，用于感知信息；屏蔽层10用于电磁波去耦合；计算层11根据外部信息计算结果控制材料功能层8，包括计算单元，用于计算外部信息以及内部指令；通信层12用于超贴片内部以及控制器网络与外部的通信，包括集成通信单元，设置有外部接口；超贴片单元通过IOT网关5与电磁功能控制器1通信互联，超贴片单元根据自身所具有的特殊功能，接收电磁功能控制器1发出的控制信号，控制信号通过控制偏置电压，调控CMOS开关、石墨烯等的状态，这些状态的改变，使得材料功能层8实现各种不同的功能。
ST3：电磁功能控制器1通过IOT网关5控制电磁发射器2附近的电磁超表面模块B3，使其具备电磁波完全反射功能，电磁功能控制器1通过IOT网关5控制电磁超表面模块A4，使其具备电磁波全息功能。电磁功能控制器1一方面能够控制电磁发射器2发射电磁波，另一方面还能通过IOT网关5控制电磁超表面模块上的超贴片单元，使电磁超表面模块具备相应的电磁波操控功能。
非视距环境下的电磁能量聚焦装置设置完成之后，明确电磁发射器2、各个电磁超表面模块、遮挡物7以及k个需要聚焦的焦点6的空间位置信息，以便电磁功能控制器1能够计算出相应配置参数。
电磁能量聚焦的具体流程如下：
电磁功能控制器1通过IOT网关5控制电磁超表面模块B3，使其具备电磁波完全反射功能，即可以把入射的电磁波以平面波的形式反射出去。其中，电磁超表面模块B3入射电磁波的波前相位可以表示为：
Figure GDA0002102665820000051
其中，Em(xi,yi,zi)为发射天线m在电磁超表面模块B3上第i个单元上的E场幅度，
Figure GDA0002102665820000052
表示M个发射天线在反射超表面(即具备电磁波完全反射功能的电磁超表面模块B3)第i个单元上的相移因子。
要保证该超贴片单元具有波束准直功能，需要电磁超表面模块B3进行一定的调谐达到准直的效果。令其相位改变为
Figure GDA0002102665820000061
其中I表示超贴片单元上的超原子个数。因此，反射超表面h1的对角相移矩阵可以表示为：
Figure GDA0002102665820000062
其中，
Figure GDA0002102665820000063
βh∈[0,1]
因此，电磁超表面模块B3的输出可以看作是一个平面波的源，利用接收准直平面波的超贴片坐标系，平面波在反射超表面h1上的波前相位分布为：
Figure GDA0002102665820000064
则根据平面波传输理论，平面波在电磁超表面模块A4上，即参考波的波前相位分布
Figure GDA0002102665820000065
其中，rj为电磁超表面模块A4上的第j个单元坐标。
电磁功能控制器1通过IOT网关5控制电磁超表面模块A4，使其具备电磁波全息的功能，其过程如下。
1)、首先把需要聚焦的k个焦点6看作一个个点源，每个点源对应在电磁超表面模块A4上需要有一个电磁场的分布。
2)、上述电磁场分布之和即是形成k个焦点6时，所对应的电磁超表面模块A4上应该具有的电磁场总的分布。
3)、把电磁超表面模块B3反射到电磁超表面模块A4上的波称作参考波，参考波与电磁超表面模块A4上应该具有的电磁场总的分布形成干涉，即可以得到电磁超表面模块A4的设置，也就是说通过电磁功能控制器1控制电磁超表面模块A4具有形成干涉条纹的设置，即记录以上干涉条纹。其中，参考波与电磁场属于计算电磁学，为现有技术。首先参考波在电磁超表面模块A4上场的分布可以计算出来，然后形成各个焦点6在电磁超表面模块A4上应该具有的场分布也可以计算出来，两个相干就可以得到电磁超表面模块A4应该的设置，就是干涉条纹；最后，一旦有参考波入射到电磁超表面模块A4，就会得到形成焦点6的场分布。波与波的干涉其实也是波在干涉位置处与场的干涉，假设一个地方有两个波，也可以计算处在该处应该有的干涉图样。
4)、当参考波入射具备电磁波全息功能电磁超表面模块A4时，通过参考波与具备电磁波全息功能的电磁超表面模块A4的干涉条纹作用，即会在电磁超表面模块A4上形成“电磁超表面模块A4上应该具有的电磁场总的分布”。
5)、总的电磁场分布即会在k个相应位置形成k个具体的焦点6。
具体表示如下：
令k个焦点6在整个环境中的三维坐标为dk＝(xk,yk,zk),k＝1,…,K，电磁超表面模块A4形成该k个焦点6的E场可以表示：
Figure GDA0002102665820000071
其中，(xi,yi)表示全息超表面(即具备电磁波全息功能的电磁超表面模块A4)上第i个坐标点，Ak(xi,yi)和
Figure GDA0002102665820000072
分别表示，形成焦点k对应在全息超表面第i个坐标点上应该具备的幅度和相位分布，一般情况下幅度Ak(xi,yi)服从均匀或者锥型分布，相位
Figure GDA0002102665820000073
一般为渐进相位。因此，形成k个焦点6所需要全息超表面总的补偿相位分布为：
Figure GDA0002102665820000074
其中，Dk表示焦点k的E场幅度，k0表示自由空间波数。根据全息原理，全息超表面的相位为
Figure GDA0002102665820000075
和
Figure GDA0002102665820000076
的相干叠加，则
Figure GDA0002102665820000077
也就是说只要配置电磁超表面模块A4的相位分布为
Figure GDA0002102665820000078
即可。
ST4：电磁功能控制器1根据电磁发射器2与电磁超表面模块B3的位置信息，通过无线控制链路控制电磁发射器2朝向电磁超表面模块B3发射电磁波。
ST5:电磁功能控制器1根据电磁超表面模块B3和电磁超表面模块A4的位置信息，通过IOT网关5控制电磁超表面模块B3反射的电磁波辐射到电磁超表面模块A4上，形成电磁超表面模块A4的参考波。
ST6：电磁功能控制器1根据k个需要聚焦的焦点6的位置，以及电磁超表面模块A4的位置信息并集合电磁超表面模块A4的参考波参数，预先按照上述全息超表面的设置方法设置具备电磁波全息功能的电磁超表面模块A4。
ST7：根据ST6，电磁超表面模块A4在参考波的入射下，便会在电磁超表面模块A4上形成了获得k个焦点6应该具备的场的分布，因此，即在相应的位置形成了k个焦点6，达到了能量聚焦的效果。
优选的，电磁功能控制器1获得电磁发射器2、电磁超表面模块B3和电磁超表面模块A4的位置信息，可以是环境确定好后，电磁功能控制器1应该具有的预先设定的信息；而对于k个需要聚焦的焦点6的位置，可以通过当前无线通信系统中具有的定位方法或者是第三方定位服务获得。
优选的，无线控制链路是双向传输的，也就是说电磁功能控制器1能够控制电磁发射器2和各个电磁超表面模块；电磁发射器2和各个电磁超表面模块的一些信息也可以反馈给电磁功能控制器1，比如位置信息。
实施例二
实施例二需要一个电磁超表面模块A4就可以实现电磁能量聚焦功能，其聚焦装置为：在需要聚焦的焦点6的附近设置电磁超表面模块A4，其余均与实施例一相同。
其聚焦过程为：电磁发射器2朝向电磁超表面模块A4发射电磁波，直接形成电磁超表面模块A4的参考波，电磁超表面模块A4具备电磁波全息功能。其余均与实施例一相同。
实施例三
实施例三需要三个电磁超表面模块才能实现电磁能量聚焦功能，其聚焦装置为：在电磁发射器2附近设置电磁超表面模块B3，在需要聚焦的焦点6附近设置电磁超表面模块A4，在电磁超表面模块B3和电磁超表面模块A4之间设置电磁超表面模块Bn，其余均与实施例一相同。
其聚焦过程为：电磁发射器2朝向电磁超表面模块B3发射电磁波，电磁超表面模块B3将电磁波反射到相邻的电磁超表面模块Bn，电磁超表面模块Bn再将电磁波反射到电磁超表面模块A4上，形成电磁超表面模块A4的参考波，电磁超表面模块A4具备电磁波全息功能，电磁超表面模块B3和电磁超表面模块Bn具备电磁波完全反射功能。其余均与实施例一相同
以上所述，仅是本发明的优选实施方式，并不是对本发明技术方案的限定，应当指出，本领域的技术人员，在本发明技术方案的前提下，还可以作出进一步的改进和改变，这些改进和改变都应该涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种非视距环境下的电磁能量聚焦装置，其特征在于：包括电磁功能控制器、电磁发射器和电磁超表面模块A，所述电磁超表面模块A布设在非视距环境中，电磁超表面模块A布设在k个需要聚焦的焦点附近，电磁超表面模块A上设置多个超贴片单元，多个超贴片单元均与一个IOT网关互联，IOT网关与电磁功能控制器互联，电磁功能控制器与电磁发射器互联；
所述电磁发射器与电磁超表面模块A之间至少设置一个电磁超表面模块B，电磁超表面模块B上设置多个超贴片单元，多个超贴片单元均与一个IOT网关互联，IOT网关与电磁功能控制器互联；
所述电磁功能控制器根据电磁发射器与电磁超表面模块B的位置信息，通过无线控制链路控制电磁发射器朝向电磁超表面模块B发射电磁波；电磁功能控制器通过IOT网关控制电磁超表面模块B，使电磁超表面模块B具备电磁波完全反射功能；电磁功能控制器通过IOT网关控制电磁超表面模块A，使电磁超表面模块A具备电磁波全息功能；电磁功能控制器根据电磁发射器与电磁超表面模块B的位置信息，通过无线控制链路控制电磁发射器朝向电磁超表面模块B发射电磁波；通过IOT网关控制电磁超表面模块B反射的电磁波辐射到电磁超表面模块A上，并形成电磁超表面模块A的参考波；电磁功能控制器根据k个需要聚焦的焦点的位置，以及电磁超表面模块A的位置信息并集合电磁超表面模块A的参考波参数，预先设置具备电磁波全息功能的电磁超表面模块A；电磁超表面模块A在参考波的入射下，便会在电磁超表面模块A上形成了获得k个焦点应该具备的场的分布，即在相应的位置形成了k个焦点，达到了能量聚焦。
2.一种非视距环境下的电磁能量聚焦方法，其特征在于：包括：
ST1：在非视距环境下布设电磁超表面模块A和至少一个电磁超表面模块B，电磁超表面模块A布设在k个需要聚焦的焦点附近，电磁超表面模块B布设在电磁发射器和电磁超表面模块A之间，电磁超表面模块A和电磁超表面模块B上均设置多个超贴片单元，相应电磁超表面模块上的多个超贴片单元均与其对应的一个IOT网关互联；
ST2：各个IOT网关均与电磁功能控制器互联，电磁功能控制器与电磁发射器互联；
ST3：电磁功能控制器通过IOT网关控制电磁超表面模块A，使电磁超表面模块A具备电磁波全息功能；电磁功能控制器通过IOT网关控制电磁超表面模块B，使电磁超表面模块B具备电磁波完全反射功能；
ST4：电磁功能控制器根据电磁发射器与电磁超表面模块B的位置信息，通过无线控制链路控制电磁发射器朝向电磁超表面模块B发射电磁波；通过IOT网关控制电磁超表面模块B反射的电磁波辐射到电磁超表面模块A上，并形成电磁超表面模块A的参考波；
ST5：电磁功能控制器根据k个需要聚焦的焦点的位置，以及电磁超表面模块A的位置信息并集合电磁超表面模块A的参考波参数，预先设置具备电磁波全息功能的电磁超表面模块A；
ST6：根据ST5，电磁超表面模块A在参考波的入射下，便会在电磁超表面模块A上形成了获得k个焦点应该具备的场的分布，因此，即在相应的位置形成了k个焦点，达到了能量聚焦的效果。
3.根据权利要求2所述的非视距环境下的电磁能量聚焦方法，其特征在于：所述ST3中，使电磁超表面模块A具备电磁波全息功能的过程包括：
1）、首先把需要聚焦的k个焦点看作一个个点源，每个点源对应在电磁超表面模块A上需要有一个电磁场的分布；
2）、上述电磁场的分布之和即形成k个焦点时，所对应的电磁超表面模块A上应该具有的电磁场总的分布；
3）、把电磁发射器发射的电磁波或电磁超表面模块B反射到电磁超表面模块A上的波称作参考波，参考波与电磁超表面模块A上应该具有的电磁场总的分布形成干涉，即可以得到电磁超表面模块A的设置，也就是说通过电磁功能控制器控制电磁超表面模块A具有形成干涉条纹的设置，即记录以上干涉条纹；
4）、当参考波入射具备电磁波全息功能的电磁超表面模块A时，通过参考波与具备电磁波全息功能的电磁超表面模块A的干涉条纹作用，即会在电磁超表面模块A上形成“电磁超表面模块A上应该具有的电磁场总的分布”；
5）、总的电磁场分布即会在k个相应位置形成k个具体的焦点。
4.根据权利要求2所述的非视距环境下的电磁能量聚焦方法，其特征在于：所述ST4、和ST5中，电磁功能控制器获得电磁发射器、电磁超表面模块A和电磁超表面模块B的位置信息，可以是环境确定好后，电磁功能控制器应该具有的预先设定的信息；而对于k个需要聚焦的焦点的位置，可以通过当前无线通信系统中具有的定位方法或者是第三方定位服务获得。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的非视距环境下的电磁能量聚焦方法，其特征在于：所述无线控制链路是双向传输的。
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