CN110601385A - 通过接收端最大功率反馈实现微波能量定向辐射的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了通过接收端最大功率反馈实现微波能量定向辐射的方法，涉及微波无线传能定向辐射技术，属于发电、变电或配电的技术领域。该方法首先确定接收端反馈回的接收功率，根据接收功率大小调整发射端天线阵元之间激励电流相位差，当接收到的功率为最大值时，确定发射端天线阵元之间的激励电流相位差，从而实现最高效率的微波能量的定向输送。本发明考虑到了在接收端位置信息不明确情况下，通过分析接收端反馈回的功率信息，能够实现微波能量的定向传输，为今后微波无线跟踪传能奠定基础。

Description

通过接收端最大功率反馈实现微波能量定向辐射的方法

技术领域

本发明公开了通过接收端最大功率反馈实现微波能量定向辐射的方法，涉及微波无线传能定向辐射技术，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

目前，微波无线传能定向发射技术主要分为机械式和电子式。机械式依赖于机械转台，通过对转台的控制调整发射端的发射角度，从而跟踪目标，实现能量定向发射。高精度机械转台成本高、控制复杂且体积庞大。电子式采用相控阵理论，通过改变阵元之间激励电流的相位差改变波束指向，从而实现电子式的跟踪及扫描。电子式定向辐射通常需要知晓接收端位置坐标信息，通过位置坐标信息反馈确定发射端阵元间的相差，但是由于位置坐标信息较难获取，精确度较低，因此，需采用未知坐标信息的方法进行定向辐射以及跟踪目标。

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。

传统定向辐射采用相控阵方案，在接收端目标位置确定的情况下提供坐标信息，通过坐标信息确定波束角度。回溯式定向辐射方案需要额外的导航信号和导航天线，增加了成本和体积，存在应用场景受限的缺陷。

综上，尚未有定性辐射方案能够在未知接收端坐标信息的情形下准确跟踪目标。本发明旨在采用最大功率接收式的定向辐射方案最大限度地拓展微波无线传能定向辐射的应用范围，提升传输效率。

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，提供了通过接收端最大功率反馈实现微波能量定向辐射的方法，在接收端位置信息不明确的情况下，根据接收端反馈回的功率信息实现微波能量的定向发射。解决了现有定向辐射方案因受限于目标精确位置信息成本、接收端体积等因素较难实现微波能量定向发射的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

为实现定向辐射，首先需要得到接收端反馈回的功率信息。在接收端会添加小型通信模块，将接收到的功率通过通信模块反馈回发射端，在发射端采用分布式的架构，改变天线阵元之间激励电流的相位差，从而实现定向功能。

基于以上思想提出两种实现微波无线电能传输定向辐射方法，可以在接收端坐标信息未知的情况下跟踪传能。第一种为主动扫描式，第二种为场强叠加式。

对于主动扫描式的定向传能，首先发射端全向发射，寻找最大功率反馈方向。大方向确定后在该范围中划分小区域继续扫描。然后根据划分出的小区域反馈回的功率信息，再进行划分。以此类推，经过多次扫描划分，即可确定接收端具体方位，从而实现定向传能。

对于场强叠加式，发射端由于是分布式架构，先开启一个天线阵元，全向扫描，通过反馈回的最大功率信息确定其相位。第一个天线阵元激励电流相位确定后再开启第二路天线阵元进行全向扫描，同时根据反馈的最大接收功率确定其与第一个阵元的相位差，并且使第一和第二阵元的电流激励相位差保持不变再开启第三路天线阵元。以此类推直至第n个阵元，这样即可确定定向辐射方向，并且使得能量传输效率提高。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）本发明针对现有定向辐射方式存在的体积大、操作复杂、功率传输效率低等缺陷，根据最大功率反馈原理推导出无需位置信息即可跟踪移动的接收端的方法，实现微波能量高效的定向辐射，相较于传统的回溯式，位置坐标信息式等方案，最大功率接收式的方案具有体积小、灵活度高、操作简便的优势。

（2）本发明所提供的微波无线电能传输定向辐射新方案适用于接收端位置目标不明确的情况，能实现对目标的跟踪传能，为今后大功率微波无线电能传输、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为微波发射与接收的示意图。

图3为主动扫描式的定向传能。

图4为基于场强叠加原理的定向传能。

图5主动式扫描流程图。

图6场强叠加原理示意图。

图7场强叠加原理流程图。

具体实施方式

由于微波无线传能系统中位置信息不易测得，但接收端所收到的微波功率或整流得到的直流功率均容易获取，而定向辐射的目标正是实现接收端接收功率的最大化，因此这两个信号（或其中之一）可作为反馈信号提供给发射端。

在主动扫描的方法中可寻找使接收端功率最大的发射角。如图2所示，假设接收端位于有效接收区域内，并能实时反馈接收到的功率，位置信息未知，主动扫描可按图3、图5所示流程操作：

(1) 大方向确定：先将设计的发射区域等分为N ₀个小块，计算每个小块中心位置坐标，并向发射天线阵列各阵元馈以等幅、特定移相激励，记录N ₀个方向上反馈得到的功率，选出最大功率出现的区域，记录其编号为n _0max ，此时完成大方向扫描；理论上接收端应位于区域n _0max 或其临近区域，但为了避免天线副瓣过大导致误寻，这一步区域划分时N ₀应足够大，使得大方向扫描能较准确地找到接收端的大体位置；

(2) 逐步求精：将n _0max 所对应的区域稍作扩大（弥补可能因上一轮扫描精度差而导致的偏差），继续划分为n ₁个小块区，对这些小块区的中心位置继续进行定向发射，记录并选出最大功率出现的区域，记其编号为n _1max ，此时完成第1轮扫描；重复上述步骤，第(i+1)轮时，对上一轮找到的最大功率区n _imax 进行扩大、分割、扫描、寻优；逐步求精过程中，区域划分可以较粗，如仅需划分为4块，逐步求精地扫描过程按指数递增精度分割空间区域，往往几轮过后就能定位至非常小的区块；

(3) 寻优终止：程序判断，分割区块过小或区块内各小区块所接收到的功率差别不大时，可终止扫描，至此找到了能使接收端功率达到最大的区块，持续向此区块发射功率，实现静态功率定向发射。

在基于叠加原理的定向辐射方法中，对于收发天线均采用线性相控阵天线的应用来说，接收端的场强是发射天线各阵元产生场强的线性叠加，当接收端场强最大时，各阵元天线产生的场强同相叠加，如图4、图6所示，功率与场强的平方成正比，因此，此时接收到的功率也最大。根据叠加定理，若想使接收端场强最大，必须使每个发射阵元天线在接收端产生的场强都达到最大，因此，若对每个阵元天线的激励施行360°相位扫描，一定能找到一个相位使得接收端场强达到最大，从向量图上看，就是将该阵元天线所产生的场强进行了360°旋转，并找到能使向量相加达到最大的实际移相角度，通过旋转电场向量最终实现场强矢量方向相同，能量叠加的效果。

实际操作中，可按如下步骤进行：

(1) 关闭所有发射通道的功率输出，等待片刻；让第1路通道输出，并设定移相角为0°；

(2) 对第i路发射通道（i∈[2, n], n为发射端总阵元个数）进行如下操作：开启输出，设定移相角从0°向360°变化，步进距离由发射端调相精度确定，记录并选出能使接收功率达到最大的移相角，再次设定为该路的移相角；此步骤设定移相角的过程仍可参照主动扫描中所述逐步求精方式进行0°-360°全范围扫描（先确定大方向，再进行迭代），以节省时间；

(3) 完成n个通道的扫描后，接收端功率应达到最大。

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.通过接收端最大功率反馈实现微波能量定向辐射的方法，其特征在于，主动扫描发射天线阵列确定定向辐射至接收端的功率最大的发射区域，对发射区域分割后再扫描确定定向辐射至接收端的功率最大的子发射区域，逐步缩小扫描区域直至各子发射区域定向辐射至接收端的功率相等。

2.根据权利要求1所述通过接收端最大功率反馈实现微波能量定向辐射的方法，其特征在于，在主动扫描发射天线阵列确定定向辐射至接收端的功率最大的发射区域之前，对发射天线阵列进行全向扫描，针对有功率信息反馈的发射区域选出反馈的功率最大的区域进行定向辐射。

3.通过接收端最大功率反馈实现微波能量定向辐射的方法，其特征在于，打开第一个阵元，通过反馈回的最大功率信息确定第一个阵元的移相角，保持第一个阵元的移相角不变后打开第二个阵元，通过反馈回的最大功率信息确定第二个阵元的移相角，以此类推，直到确定所有阵元的移相角。

4.根据权利要求3所述通过接收端最大功率反馈实现微波能量定向辐射的方法，其特征在于，采用全局扫描各阵元移相角取值范围的方法根据反馈回的最大功率信息确定各阵元的移相角。