CN110729821A - 用于多目标无线能量传输的准无衍射波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多目标无线能量传输的准无衍射波束形成方法，主要解决现有天线馈电网络复杂、对接收目标位置要求过高的问题。其方案是：1)设计反射阵单元；2)仿真反射阵单元，绘制补偿相位表，并将反射阵单元排成平面阵列；3)确定准无衍射波束的传播方向和最大无衍射传输距离；4)根据平面阵列确定反射阵单元波矢量与传播轴形成的角度；5)根据3)和4)的结果计算各反射阵单元补偿相位；6)在补偿相位查找对应单元并调整尺寸生成反射阵天线；7)将馈源和反射阵天线放在设计位置，在馈源上加射频信号，产生准无衍射波束。本发明简化了天线的馈电网络结构，满足给多目标供电的需求，可用于同一路径上多个目标的无线能量传输。

Description

用于多目标无线能量传输的准无衍射波束形成方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及用于多目标无线能量传输的准无衍射波束形成方法，可用于同一路径上多个目标的无线能量传输。

背景技术

随着电子信息产业的发展，越来越多的电子设备需要用无线充电的技术来替代以往使用的有线充电技术，而无线充电技术的很大一部分就是靠传输电磁能量来实现。辐射式无线能量传输方式作为无线能量传输方式的一种，其应用包含利用高增益天线来形成一个高增益波束实现电磁能量的远距离传输；辐射式无线能量传输的方式是通过聚焦实现能量的高效传输。但是聚焦式无线能量传输方式只有接收装置位于天线的焦点位置时才有可能实现能量的高效传输，当接收点的位置偏离天线的焦点位置后其传输效率会急剧下降。

西安电子科技大学在其申请的专利文献“一种不等功率分配的聚焦传输反射阵天线设计方法”(申请号2018106884521，申请公布号CN108830009A)中公开了一种不等功率分配的聚焦传输反射阵天线设计方法，其实现步骤是：(1)生成反射阵天线单元；(2)确定反射阵天线的规模；(3)绘制补偿相位表；(4)确定能量接收焦点信息；(5)计算反射阵天线各单元的补偿相位；(6)调整反射阵天线单元十字金属贴片的长度；(7)构造反射阵天线；(8)生成复权值矩阵。该方法存在的不足之处是：天线阵列能量仅在焦点处汇聚，对接收设备的位置要求高，难以实现对同一路径上的多目标无线能量传输。

中国舰船研究设计中心在其申请的专利文献“一种基于无衍射相位调制的微波无线电能传输装置”(申请号：201910407540.4，申请公开号：CN110098669A)中公开了一种基于无衍射相位调制的微波无线电能传输装置，其包括：微波辐射源、阵列型微波发射天线、无衍射相位调制器、阵列型微波接收天线、微波整流电路模块以及负载。该装置涉及的微带阵列天线结构复杂，且需要有较为复杂的馈电网络。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种用于多目标无线能量传输的准无衍射波束形成方法，以简化天线的馈电网络，实现对同一路径上的多目标无线能量传输。

本发明的技术思路是：通过使用反射阵的方式简化馈电网络，利用零阶无衍射波束对遮挡不敏感的特性，实现对同一路径上多个目标的高效无线能量传输。

根据上述思路，本发明的实现步骤包括如下：

(1)设计具有330～360度范围相位补偿的反射阵单元；

(2)根据设计的反射阵单元，仿真得出不同单元尺寸对应的反射相位，将不同尺寸取值和与其分别对应的反射相位绘制成一个补偿相位表；

(3)将反射阵单元按照M×N排布成平面阵列，其中，M表示反射阵单元的行数，M≥4，N表示反射阵单元的列数，N≥4；

(4)在球坐标系中，确定准无衍射波束的传播方向为

和最大无衍射距离Z_max，其中0°≤θ≤60°，

(5)确定天线单元到传播轴上对应位置形成的直线与传播轴形成的角度β：β_min≤β≤β_max，β_max为在传播轴上到原点距离为Z_max的点到反射阵最近的单元所形成的直线与传播轴形成的角度，β_min在传播轴上到原点距离为Z_max的点到反射阵最远的单元所形成的直线与传播轴形成的角度；

(6)按照下式，计算反射阵各单元的补偿相位：

其中，i,j为反射阵单元的行坐标和列坐标，i,j为整数，1≤i＜(M+1)，1≤j＜(N+1)，(x_i,y_j)表示第(i,j)反射阵天线单元的中心在平面坐标系下的坐标为(x_i,y_j)，Δφ_ij(x_i,y_j)表示中心坐标为(x_i,y_j)的反射阵天线单元所需要的补偿相位，k₀表示自由空间的波数，

f₀和c分别代表中心工作频率和光速，|·|表示取绝对值操作，

表示自坐标原点到中心坐标为(x_i,y_j)的反射阵天线单元的位置矢量，

表示自坐标原点到中心坐标为(x_i,y_j)的单元对应传播轴上交点的位置矢量，且

与传播轴形成的角度为β，

表示自坐标原点到反射阵天线馈源的位置矢量；

(7)从补偿相位表中，查找与反射阵各单元的补偿相位对应的反射阵单元尺寸，并调整其尺寸，得到反射阵天线；

(8)将反射阵天线和馈源放在设计的位置，给馈源加上射频信号，即产生出

方向、最大无衍射距离为Z_max的准无衍射波束。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，本发明采用了电磁超表面单元组成反射阵天线，克服了现有技术采用传统设计方法制造的阵列天线结构复杂，馈电网络复杂的缺点，使得本发明具有结构简单，损耗较小的优点。

第二，本发明通过调整电磁超表面单元的尺寸来提供补偿相位，所产生的任意方向的无衍射波束能够实现无衍射波束沿着设定的方向传播，因此所有波束能量都能够集中在所设定的方向上，形成了高效率的无线能量传输。

第三，本发明通过固定各单元波矢量与传播轴的角度，产生的无衍射波束可以实现对多目标的无线能量传输，即在同一路径上，即使在有遮挡的情况下，仍然可以给后面的其他目标进行无线能量传输，并且相比于聚焦形式的无线能量传输方式其能量在无衍射传输距离范围内更加稳定。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明实施例中反射阵单层十字单元结构的示意图；

图3为本发明实施例中的反射阵单元的相位尺寸分布图；

图4为本发明实施例中的反射阵天线无衍射传输仿真图；

图5为本发明实施例的反射阵天线在有遮挡的情况下无衍射传输仿真图；

图6为本发明实施例的反射阵天线在有遮挡和无遮挡情况下电场对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例和效果做进一步详细描述。

参照图1，对本实施例的具体步骤如下：

步骤1，设计反射阵单元。

设计具有330～360度范围相位补偿的反射阵单元，该反射阵单元为电磁超表面反射单元，其由地板、介质基板及反射单元表面组成，且地板与反射单元表面分别位于介质基板的两侧，构成单层十字结构或双层十字结构。

本实施例采用单层十字的反射阵单元结构，如图2所示，其中图2(a)是单层十字结构的俯视图，图2(b)是单层十字单元结构的侧视图。该单元由两个矩形金属贴片相互垂直平分排列于介质基板的上表面组成。反射阵单元采用单层介质基板，介质基板位于金属地板上方，单元工作在10GHz。单元尺寸为C＝15mm，平行于x方向的矩形贴片和平行于y方向矩形贴片和长度分别为L_a和L_b，2mm≤L_a≤14.8mm，2mm≤L_b≤14.8mm，宽度均为W，W＝1mm，介质基板的厚度为H＝3mm，介质基板的相对介电常数ε_r＝2.2。

步骤2，绘制补偿相位表。

保持L_b＝8mm不变，在2mm≤L_a≤14.8mm内，每隔0.05mm对L_a取一个值进行仿真，得到与长度L_a每个取值分别对应的反射相位，将长度L_a的每一个取值和与其分别对应的反射相位绘制成一个补偿相位表。

步骤3，设置平面阵列。

将反射阵单元按照M行、N列排布成M×N平面阵列，本实施例中选择M为25，N为25。

步骤4，确定准无衍射波束的传播方向和最大无衍射距离。

在球坐标系中，确定准无衍射波束的传播方向为

其中0°≤θ≤60°，

本实施例中确定准无衍射波束的传播方向为(30°,45°)，准无衍射的最大传输距离Z_max＝1.1m。

步骤5，确定反射阵单元波矢量与传播轴形成的角度。

确定反射阵单元到传播轴上对应位置形成的直线与传播轴形成的角度β：β_min≤β≤β_max，β_max为在传播轴上到原点距离为Z_max的点到反射阵最近的单元所形成的直线与传播轴形成的角度，β_min在传播轴上到原点距离为Z_max的点到反射阵最远的单元所形成的直线与传播轴形成的角度，本实施例中确定的β＝10°。

步骤6，计算各单元补偿相位。

6.1)计算自由空间的波数:

f₀和c分别代表中心工作频率和光速；

6.2)计算自坐标原点到中心坐标为(x_i,y_j)的反射阵单元的位置矢量

和自坐标原点到反射阵馈源的位置矢量

其中，i,j为反射阵单元的行坐标和列坐标，i,j为整数，1≤i＜(M+1)，1≤j＜(N+1)，(x_i,y_j)表示第(i,j)反射阵单元的中心在平面坐标系下的坐标为(x_i,y_j)；

6.3)计算自坐标原点到中心坐标为(x_i,y_j)的单元对应传播轴上交点的位置矢量

且

与传播轴形成的角度为β；

6.4)按照下式，计算反射阵天线各单元的补偿相位：

本实施例中馈源采用喇叭天线，工作频率10GHz，垂直照射反射阵天线，x方向极化，喇叭位置(0,0,0.3)m，到反射阵天线中心位置的距离为0.3m，空间角0°，反射阵口径375mm。

本实施例中计算各单元的x极化相位分布如图3(a)所示，其中图3(a)中的横坐标为单元x方向的位置坐标，纵坐标为单元y方向的位置坐标，相位分布在-180°～180°之间变化。

步骤7，生成反射阵天线。

从补偿相位表中，查找与反射阵各单元的补偿相位对应的反射阵单元尺寸，并调整其尺寸，得到反射阵天线。

本实施例的反射阵单元的x极化尺寸分布如图3(b)所示，其中的横坐标为单元x方向的位置坐标，纵坐标为单元y方向的位置坐标，尺寸L_a取值在2mm～14.8mm之间变化。

步骤8，产生准无衍射波束。

将反射阵天线和馈源放在设计的位置，给馈源加上射频信号，即产生出(30°,45°)方向、最大无衍射传输距离为1.1m的准无衍射波束。

所述反射阵馈源是指满足下述条件的反射阵馈源：反射阵馈源到反射阵天线中心位置的距离为S，

λ为波长，D为反射阵天线的口径；反射阵天线馈源相对于反射阵列中心位置的法线方向的空间角为α，取值范围从-60°到60°。

所述的准无衍射波束在其最大无衍射距离内，当波束传播方向上存在接收遮挡时，遮挡后面的能量依然能和无遮挡时保持一样，以实现对同一路径上的多目标无线能量传输。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明。

一、仿真条件

在电磁仿真软件HFSS中进行仿真，在波束传播方向上添加观测面，观察波束的电场分布。

二、仿真内容

仿真1.对本发明实施例反射阵天线产生的准无衍射波束进行仿真，结果如图4所示，从图4可见，在波束传播方向上电场分布幅值高，能量全部集中无衍射传播方向上。

仿真2.对本发明的实施例反射阵天线产生的准无衍射波束在有遮挡的情况下进行仿真，仿真结果如图5所示，在波束传播方向上添加遮挡喇叭，遮挡的位置距离反射阵天线中心0.5m处，遮挡喇叭的口径为45×35mm，从图5可见，经过喇叭遮挡后的电场分布和未遮挡时保持基本一致，无衍射波束效果很好，完全可以用于同一路径上多目标的无线能量传输。

提取仿真1无遮挡情况和仿真2有遮挡情况的传播轴上电场的幅值，对比电场结果如图6所示，从图6可见，在遮挡位置的0.5m后，遮挡后的电场保持和未遮挡时一致，无衍射的效果很好，可以实现对同一路径上的多目标无线能量传输。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于多目标无线能量传输的准无衍射波束形成方法，其特征在于，包括如下：

(1)设计具有330～360度范围相位补偿的反射阵单元；

(2)根据设计的反射阵单元，仿真得出不同单元尺寸对应的反射相位，将不同尺寸取值和与其分别对应的反射相位绘制成一个补偿相位表；

(3)将反射阵单元按照M×N排布成平面阵列，其中，M表示反射阵单元的行数，M≥4，N表示反射阵单元的列数，N≥4；

(4)在球坐标系中，确定准无衍射波束的传播方向为和最大无衍射距离Z_max，其中0°≤θ≤60°，

(5)确定天线单元到传播轴上对应位置形成的直线与传播轴形成的角度β：β_min≤β≤β_max，β_max为在传播轴上到原点距离为Z_max的点到反射阵最近的单元所形成的直线与传播轴形成的角度，β_min在传播轴上到原点距离为Z_max的点到反射阵最远的单元所形成的直线与传播轴形成的角度；

(6)按照下式，计算反射阵各单元的补偿相位：

其中，i,j为反射阵单元的行坐标和列坐标，i,j为整数，1≤i＜(M+1)，1≤j＜(N+1)，(x_i,y_j)表示第(i,j)反射阵天线单元的中心在平面坐标系下的坐标为(x_i,y_j)，Δφ_ij(x_i,y_j)表示中心坐标为(x_i,y_j)的反射阵天线单元所需要的补偿相位，k₀表示自由空间的波数，f₀和c分别代表中心工作频率和光速，|·|表示取绝对值操作，表示自坐标原点到中心坐标为(x_i,y_j)的反射阵天线单元的位置矢量，

表示自坐标原点到中心坐标为(x_i,y_j)的单元对应传播轴上交点的位置矢量，且

与传播轴形成的角度为β，表示自坐标原点到反射阵天线馈源的位置矢量；

(7)从补偿相位表中，查找与反射阵各单元的补偿相位对应的反射阵单元尺寸，并调整其尺寸，得到反射阵天线；

(8)将反射阵天线和馈源放在设计的位置，给馈源加上射频信号，即产生出

方向、最大无衍射距离为Z_max的准无衍射波束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中的反射阵天线单元，其为电磁超表面反射单元，它由地板、介质基板及反射单元表面组成，且地板与反射单元表面分别位于介质基板的两侧。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(6)中的反射阵天线馈源是指满足下述条件的反射阵天线馈源：

反射阵天线馈源到反射阵天线中心位置的距离为S，

λ为波长，D为反射阵天线的口径；

反射阵天线馈源相对于反射阵列中心位置的法线方向的空间角为α，取值范围从-60°到60°。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(8)中的准无衍射波束在其最大无衍射距离内，当波束传播方向上存在接收遮挡时，遮挡后面的能量依然能和无遮挡时保持一样，以实现对同一路径上的多目标无线能量传输。

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