CN110931988A - 一种列车传感网络无线能量发射方法、装置 - Google Patents

一种列车传感网络无线能量发射方法、装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种列车传感网络无线能量发射方法、装置，方法为通过馈源系统将电磁波能量照射在相位调制材料天线上，通过相位调制材料天线将电磁波辐射方向调制为指向接收天线的方向，向接收天线发射电磁波。装置包括：包括能量源、功率放大模块、馈源系统和相位调制材料天线；能量源用于产生电磁波信号；功率放大模块用于将电磁波信号的功率进行放大；馈源系统用于将电磁波能量照射到相位调制材料天线上；相位调制材料天线用于将电磁波辐射方向调制为指向接收天线的方向，定向的往接收天线发射电磁波。具有电磁波能量传输指向性高、具有高增益辐射，能够同时对多个目标进行能量传输，可有效提高能量传输效率，抗干扰能力强等优点。

Description

一种列车传感网络无线能量发射方法、装置
技术领域
本发明涉及无线能量传输领域，尤其涉及一种列车传感网络无线能量发射方法、装置。
背景技术
随着列车技术的飞速发展，对列车不同位置和不同部件的监控提出了更高的要求，有线传感网无法满足列车上难以布线区域监控需求。基于无线能量传输技术的列车无线传感网络不需要给网络节点更换电池或者有线充电，可以节约人工成本和安装复杂度，从而使无线传感器网络高效稳定的工作。目前的无线能量传输技术主要有电磁感应、磁共振和电场耦合等。但是，这些技术方案的能量传输距离有比较有限，仅在10厘米左右。电磁感应技术的磁场随着距离的增加快速减弱，一般只能在数毫米到10厘米的范围工作，加上能量朝着四面八方发射式的，导致感应电流远远小于输入电流，能源效率并不高。磁共振技术的传输距离一般在数公尺以内，且难以将两个电路调整到一模一样的频率，无法满足无线传感网对远距离能量传输的需求。电场耦合技术也只能提供短距离的能量传输。如果传输距离稍微大些，能量传输效率就明显下降。现有无线能量传输方式不能满足列车无线传感网络对远距离网络节点供电的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种电磁波能量传输指向性高、具有高增益辐射，能够同时对多个目标进行能量传输，可有效提高能量传输效率，抗干扰能力强的列车传感网络无线能量发射方法、装置。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种列车传感网络无线能量发射方法，通过馈源系统将电磁波能量照射在相位调制材料天线上，通过所述相位调制材料天线将电磁波辐射方向调制为指向接收天线的方向，向接收天线发射电磁波。
进一步地，所述相位调制材料天线分为至少一个调制区域，每个调制区域将所述电磁波调制为平面波，指向一个接收天线的方向。
进一步地，所述相位调制材料天线为共形相位调制材料天线，共形安装在列车车体结构及其附属设备上。
一种列车传感网络无线能量发射装置，包括能量源、功率放大模块、馈源系统和相位调制材料天线；
所述能量源用于产生电磁波信号；
所述功率放大模块用于将所述电磁波信号的功率进行放大；
所述馈源系统用于将电磁波能量照射到相位调制材料天线上；所述相位调制材料天线用于将电磁波辐射方向调制为指向接收天线的方向，向所述接收天线发射电磁波。
进一步地，所述相位调制材料天线分为至少一个调制区域，每个调制区域将所述电磁波调制为平面波，指向一个接收天线的方向。
进一步地，所述相位调制材料天线为共形相位调制材料天线，共形安装在列车车体结构及其附属设备上。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用相位调制材料天线作为无线能量传输的发射天线，可同时输出几个电磁波束，每个电磁波束可分别指向不同的目标，而且每个电磁波束的指向性好，不同电磁波束之间的干扰小，抗干扰能力强，安全性好，可靠性高。
2、本发明采用相位调制材料天线，相位调制材料天线可以方便的调整形状，方便共形安装到车体的任意结构上，安装方便，不占用车体空间，能够节约空间体积和降低安装难度。
附图说明
图1为本发明具体实施例系统示意图。
图2为本发明具体实施例电磁波调制原理示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
本实施例的列车传感网络无线能量发射方法，通过馈源系统将电磁波能量照射在相位调制材料天线上，通过相位调制材料天线将电磁波辐射方向调制为指向接收天线的方向，向接收天线发射电磁波。相位调制材料天线分为至少一个调制区域，每个调制区域将电磁波调制为平面波，指向一个接收天线的方向。
如图1所示，馈源系统用于产生电磁波，具体的，可通过微波源产生所需要的电磁波信号，并通过功率放大器把电磁波信号进行功率放大至所需要的功率，馈源模块用于把功率放大后的电磁波照射到相位调制材料天线，相位调制材料天线对馈源模块照射出的电源波信号进行空间相位调制，生成一束或多束具有不同指向的高方向性的波束。相位调制材料天线将调制后的高方向波束照射接收装置的接收天线，并通过RF-DC转换单元把接收天线所接收到的电磁波能量转换为直流电压，并通过能量储存管理单元储存能量，以稳定的电压为用电设备供电或为电池充电。
在本实施例中，相位调制材料天线由可以独立控制的调制单元组成，多个调制单元可组成一个调制区域，通过合理的设置调制区域内各调制单元的反射相位，可将自由空间传播的非平面电磁波转换为平面波，从而得到高方向性的电磁波束。
如图2(b)所示，设相位调制材料天线的一个调制区域分为M×N个单元组成，单元间距为d，m和n分别为沿x轴和y轴的单元编号，每个单元都是独立可控的。如图2(a)所示，图中Fmn表示电磁波从馈源模块照射到单元结构(m,n)时所产生的相位延迟，ζmn为单元结构(m,n)的相位坐标位置所产生的相位差，可以表示为如式(1)所示：
Figure BDA0001806278750000031
式(1)中，ζmn为单元结构(m,n)的相位坐标位置所产生的相位差，k为波束矢量，m为沿x轴的单元编号，n为沿y轴的单元编号，d为单元间距，θ0为波束与z轴之间的夹角，
Figure BDA0001806278750000032
为波束与x轴之间的夹角。
在本实施例中，如果期望的电磁波在透过相位调制材料天线后在
Figure BDA0001806278750000033
的方向上形成一束高方向必的电磁波束，则出射电磁波的波前平面与电磁波束传输方向垂直。根据阵列理论可以计算出电磁波经过相位调制材料天线中编号为(m,n)的单元所产生的反射相位
Figure BDA0001806278750000034
须满足式(2)所示：
Figure BDA0001806278750000035
式(2)中，
Figure BDA0001806278750000036
为相位调制材料天线中编号为(m,n)的单元所产生的反射相位，Fmn为电磁波从馈源模块照射到单元结构(m,n)时所产生的相位延迟，ζmn为单元结构(m,n)的相位坐标位置所产生的相位差，q为预设的整数。
在本实施例中，假设相位调制材料天线的调制单元之间没有相互耦合，通过阵列理论可以计算出电磁波透过相位调制材料后的电磁波束远场方向图(阵列因子)如式(3)所示：
Figure BDA0001806278750000037
式(3)中，
Figure BDA0001806278750000038
为电磁波辐射能量与辐射角度的关系，
Figure BDA0001806278750000039
为单元对入射电磁波能量的反射率，Pmn为表示从馈源模块照射到相位调制材料中编号为(m,n)的调制单元的电磁能量，j为虚构，k为波束矢量，m为沿x轴的单元编号，n为沿y轴的单元编号，d为单元间距，θ为波束指向方向与z轴之间的夹角，θ为波束指向方向与z轴之间的夹角，
Figure BDA00018062787500000310
为波束在XY面投影指向方向与x轴之间的夹角。
通过式(1)和式(2)可以确定，当由馈源模块照射在相位调制材料天线各个位置的电磁波相位分布和出射电磁波束指向方向确定后，则可以计算得出相位调制材料天线各个调制单元所需要的反射相位值。而馈源模块相对于相位调制材料的位置固定，入射电磁波在材料各个位置的相位分布就可能确认。因此，通过实时调控相位调制材料天线上各个调制单元的反射相位，就可以控制电磁波束方向图。当需要产生多个高方向性波束时，将相位调制材料天线的调制单元划分为不同的相位调制区域，每个调制区域内部的单元结构可以按上述公式进行相位调制，即可产生多个高方向性波束。
在本实施例中，相位调制材料天线为共形相位调制材料天线，共形安装在列车车体结构及其附属设备上。如贴在列车车厢、机柜等设施的墙壁上，几乎可以不占用列车空间，能够节约空间体积和降低安装难度，同时也可以保证列车车厢内部的整洁美观。
如图1所示，本实施例的列车传感网络无线能量发射装置，包括能量源、功率放大模块、馈源系统和相位调制材料天线；能量源用于产生电磁波信号；功率放大模块用于将电磁波信号的功率进行放大；馈源系统用于将电磁波能量照射到相位调制材料天线上；相位调制材料天线用于将电磁波辐射方向调制为指向接收天线的方向，向接收天线发射电磁波。
在本实施例中，如图1所示，馈源系统用于产生电磁波，具体的，可通过微波源产生所需要的电磁波信号，并通过功率放大器把电磁波信号进行功率放大至所需要的功率，馈源模块用于把功率放大后的电磁波照射到相位调制材料天线，相位调制材料天线对馈源模块照射出的电源波信号进行空间相位调制，生成一束或多束具有不同指向的高方向性的波束。相位调制材料天线将调制后的高方向波束照射接收装置的接收天线，并通过RF-DC转换单元把接收天线所接收到的电磁波能量转换为直流电压，并通过能量储存管理单元储存能量，以稳定的电压为用电设备供电或为电池充电。当然，需要说明的是，馈源系统也可以其它可以产生所需要电磁波的馈源装置。
在本实施例中，相位调制材料天线由可以独立控制的调制单元组成，多个调制单元可组成一个调制区域，通过合理的设置调制区域内各调制单元的反射相位，可将自由空间传播的非平面电磁波转换为平面波，从而得到高方向性的电磁波束。
如图2(b)所示，设相位调制材料天线的一个调制区域分为M×N个单元组成，单元间距为d，m和n分别为沿x轴和y轴的单元编号，每个单元都是独立可控的。如图2(a)所示，图中Fmn表示电磁波从馈源模块照射到单元结构(m,n)时所产生的相位延迟，ζmn为单元结构(m,n)的相位坐标位置所产生的相位差，可以表示为如式(1)所示：
Figure BDA0001806278750000041
式(1)中，ζmn为单元结构(m,n)的相位坐标位置所产生的相位差，k为波束矢量，m为沿x轴的单元编号，n为沿y轴的单元编号，d为单元间距，θ为波束指向方向与z轴之间的夹角，
Figure BDA0001806278750000042
为波束在XY面投影指向方向与x轴之间的夹角。
在本实施例中，如果期望的电磁波在透过相位调制材料天线后在
Figure BDA0001806278750000051
的方向上形成一束高方向必的电磁波束，则出射电磁波的波前平面与电磁波束传输方向垂直。根据阵列理论可以计算出电磁波经过相位调制材料天线中编号为(m,n)的单元所产生的反射相位
Figure BDA0001806278750000052
须满足式(2)所示：
Figure BDA0001806278750000053
式(2)中，
Figure BDA0001806278750000054
为相位调制材料天线中编号为(m,n)的单元所产生的反射相位，Fmn为电磁波从馈源模块照射到单元结构(m,n)时所产生的相位延迟，ζmn为单元结构(m,n)的相位坐标位置所产生的相位差，q为预设的整数。
在本实施例中，假设相位调制材料天线的调制单元之间没有相互耦合，通过阵列理论可以计算出电磁波透过相位调制材料后的电磁波束远场方向图(阵列因子)如式(3)所示：
Figure BDA0001806278750000055
式(3)中，
Figure BDA0001806278750000056
为电磁波辐射能量与辐射角度的关系，
Figure BDA0001806278750000057
为单元对入射电磁波能量的反射率，Pmn为表示从馈源模块照射到相位调制材料中编号为(m,n)的调制单元的电磁能量，j为虚构，k为波束矢量，m为沿x轴的单元编号，n为沿y轴的单元编号，d为单元间距，θ为波束指向方向与z轴之间的夹角，
Figure BDA0001806278750000058
为波束在XY面投影指向方向与x轴之间的夹角。
通过式(1)和式(2)可以确定，当由馈源模块照射在相位调制材料天线各个位置的电磁波相位分布和出射电磁波束指向方向确定后，则可以计算得出相位调制材料天线各个调制单元所需要的反射相位值。而馈源模块相对于相位调制材料的位置固定，入射电磁波在材料各个位置的相位分布就可能确认。因此，通过实时调控相位调制材料天线上各个调制单元的反射相位，就可以控制电磁波束方向图。当需要产生多个高方向性波束时，将相位调制材料天线的调制单元划分为不同的相位调制区域，每个调制区域内部的单元结构可以按上述公式进行相位调制，即可产生多个高方向性波束。
在本实施例中，相位调制材料天线分为至少一个调制区域，每个调制区域将电磁波调制为平面波，指向一个接收天线的方向。相位调制材料天线为共形相位调制材料天线，共形安装在列车车体结构及其附属设备上。
通过本发明的能量发射方法及装置，可以克服现有技术中无线能量发射方法存在的不足，由于无线能量传输的距离与效率与电磁波的辐射方向息息相关，本发明通过对调制单元的调制，从而校准发散的空间电磁波，将自由空间传播的非平面电磁波转换为平面波，从而产生具有高度指向性的波束，提高相位调制材料的辐射增益。因此，本发明的方法可以大大的提高无线能量传输的距离，提高能量传输的效率，使得列车使用采用无线能量传输成为可能。
本发明通过对相位调制材料天线的调制单元进行合理划分，划分为独立的调制区域，对不同的调制区域分别独立控制，能产生多个具有不同方向的高指向性波束，实现一对多的无线能量传输。由于每个波束都是平面波，其能量集中在波束方向上，其它空间方位上的电磁能量非常弱，因此，可以有效避免对其它空间方位的电子设备产生干扰和影响，同时，也可以增强自身的抗干扰能力，提高安全性和可靠性。
本发明通过相位调制材料天线为共形相位调制材料天线，其厚度小，可以做到只有0.1毫米，从而可以方便的贴在各种形状的设备上，不占用空间，从而可以降低成本和安装难度。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种列车传感网络无线能量发射方法，其特征在于：通过馈源系统将电磁波能量照射在相位调制材料天线上，通过所述相位调制材料天线将电磁波辐射方向调制为指向接收天线的方向，向接收天线发射电磁波。
2.根据权利要求1所述的列车传感网络无线能量发射方法，其特征在于：所述相位调制材料天线分为至少一个调制区域，每个调制区域将所述电磁波调制为平面波，指向一个接收天线的方向。
3.根据权利要求1或2任一项所述的列车传感网络无线能量发射方法，其特征在于：所述相位调制材料天线为共形相位调制材料天线，共形安装在列车车体结构及其附属设备上。
4.一种列车传感网络无线能量发射装置，其特征在于：包括能量源、功率放大模块、馈源系统和相位调制材料天线；
所述能量源用于产生电磁波信号；
所述功率放大模块用于将所述电磁波信号的功率进行放大；
所述馈源系统用于将电磁波能量照射到相位调制材料天线上；所述相位调制材料天线用于将电磁波辐射方向调制为指向接收天线的方向，向所述接收天线发射电磁波。
5.根据权利要求4所述的列车传感网络无线能量发射装置，其特征在于：所述相位调制材料天线分为至少一个调制区域，每个调制区域将所述电磁波调制为平面波，指向一个接收天线的方向。
6.根据权利要求4或5任一项所述的列车传感网络无线能量发射装置，其特征在于：所述相位调制材料天线为共形相位调制材料天线，共形安装在列车车体结构及其附属设备上。
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