CN111030324B - 多目标移动设备跟踪无线能量传输方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多目标移动设备跟踪无线能量传输方法与系统，属于发电、变电或配电的技术领域。多个目标电子设备需要接收无线能量时在特定频段内选择一个未被其它目标电子设备占用的频点发射该频点的导引信号，各设备发射的单频引导信号在空间叠加，无线能量发射设备的天线阵列多通道接收叠加的导引信号形成多频点导引信号，将多频点导引信号下变频至基带后再对多路基带信号分别作时间反演形成多路基带共轭信号，将多路基带共轭信号经镜像抑制上变频至特定频段并放大后形成多路多频点馈电信号，多路多频点馈电信号经由天线阵列形成多个不同频点的波束，分别指向不同的目标电子设备，实现对多个移动电子设备同时跟踪传能。

Description

多目标移动设备跟踪无线能量传输方法与系统

技术领域

本发明公开了多目标移动设备跟踪无线能量传输方法与系统，涉及无线充电技术，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

无线能量传输技术可以用于为手机、无线传感器、射频识别标签等各类电子设备提供无线供电。目前已有的无线能量传输技术主要包括近场电感耦合、射频(或者微波)电磁波传输和激光传输等几种方式。近场电感耦合是目前最为成熟的无线能量传输技术，市场上已有针对手机充电的商用产品，但该技术只能用于近距离(毫米至厘米量级)能量传输，被充电设备需放置于一个二维表面上。激光传输可以携带较大量的功率，并实现较远距离的传能，然而障碍物的存在会影响发射与接收装置之间的能量传递。射频电磁波传输采用高频电磁波束传输能量，同样适合较远距离的无线传能，其优点是受环境影响较小，主要缺点则是在开放空间中传输的辐射损耗大，传输效率相对较低。为提高射频无线能量传输效率，可以采用天线阵列波束聚焦的方法。在此基础上，针对手机等移动电子设备，无线能量传输系统需要根据目标移动电子设备的位置实时调整波束方向和波束聚焦点，以实现跟踪无线供电。

目前，射频跟踪无线供电方法多采用基于共轭相位的方向回溯波束成形技术。方向回溯波束形成技术采用相控阵天线，通过接收和分析目标设备发射的导引信号确定相控阵天线形成跟踪波束所需的馈电幅度和相位分布。该技术方案适用于单个目标设备的跟踪无线供电，但在多个目标设备条件下，直接应用该技术方案要求对每个目标设备发射的导引信号分别作相位共轭，导致系统硬件的复杂度和成本增加。已公布的发明专利201810580750.9公开了一种基于聚焦波的多目标选择性无线输能方法及装置，提供了一种对多个目标发射的导引信号进行有效处理的方法，但该发明要求多个目标依次发射充电请求信号，从而要求多个目标设备以及无线能量发射设备通过互相通信实现排队。此外，该发明需要根据接收到的充电请求信号计算多个信道传输函数，并根据多个目标接收到的信号幅度反馈进行优化得到最终的激励信号，因此需要复杂的硬件系统和软件处理算法的支持。如何针对多个目标设备同时发射的多个导引信号，形成多个方向回溯波束同时聚焦输能至多个目标设备，仍然是有待解决的技术问题。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了多目标移动设备跟踪无线能量传输方法与系统，解决了多个目标电子设备发射的多个导引信号的同时接收和处理问题以及如何根据多个导引信号处理结果形成同时指向多个移动的目标电子设备多个电磁波束的技术问题，实现了对多个移动电子设备的同时跟踪传能。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

多目标移动设备跟踪无线能量传输系统包含一个无线能量发射设备和多个目标电子设备。一个或多个目标电子设备需要接收无线能量时，在特定频段内选择一个未被其它目标电子设备占用的频点，发射该频点的导引信号，确保多个目标电子设备的导引信号频点各不相同。多个目标电子设备发射的多个导引信号被无线能量发射设备包含的天线阵列接收。该天线阵列每个单元接收到的信号为所有目标电子设备导引信号的叠加。无线能量发射设备将天线阵列多个单元接收到的多频点导引信号下变频至基带，再对多路基带信号分别作时间反演，形成多路基带共轭信号。该多路基带共轭信号经镜像抑制上变频至特定频段并放大，形成多路多频点馈电信号。多路多频点馈电信号经由天线阵列形成多个不同频点的波束，分别指向不同的目标电子设备。从而实现对多个目标电子设备定向跟踪无线传能。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明提出基于多频点导引信号时间反演的多波束方向回溯方法，能够实现对多个移动电子设备同时跟踪传能。具体而言，不同的目标电子设备采用不同频点的导引信号，避免了不同目标电子设备发射的导引信号相干叠加导致无线能量发射设备阵列天线各单元接收到的导引信号幅度不一致的问题。采用时间反演能够一次性形成多个频点导引信号的共轭输出，不需要根据多个目标发射的多个导引信号分别做波束形成，也不需要对不同时间接收到的导引信号进行区分，避免了采用多组移相器等硬件系统导致的高成本问题，也避免了优化计算最佳激励信号所需的复杂算法。无线能量发射设备的导引信号接收电路将导引信号下变频至基带作时间反演，所需的模数转换器和数模转换器采样速率低，避免了对导引信号直接时间反演导致的高成本问题。根据本发明提出的方法，多个目标电子设备只需要具备类似于跳频的功能，即能够在特定频率范围内选取未被占用的频点，多个目标电子设备与无线能量发射设备之间不需要通信或同步，多个目标电子设备之间也不需要通信或同步，能够显著降低系统的复杂度和成本。

附图说明

图1是多目标移动设备跟踪无线能量传输系统与方法示意图。

图2(a)是多目标移动设备跟踪无线能量传输系统的目标电子设备无线能量接收子系统实施例示意图，图2(b)是多目标移动设备跟踪无线能量传输系统的无线能量发射设备实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明的多目标移动设备跟踪无线能量传输系统包含一个无线能量发射设备和多个(例如，N个)目标电子设备。一个或多个目标电子设备需要接收无线能量时，在特定频段内选择一个未被其它目标电子设备占用的频点，发射该频点的导引信号，确保多个目标电子设备的导引信号频点各不相同。换言之，当N个目标电子设备均发射导引信号时，第i个目标电子设备发射频率为f_i的导引信号，且N个频率f_i(i＝1,2,…,N)各不相同。无线能量发射设备包含一个M单元的天线阵列，一个M通道的导引信号下变频接收电路，一个M通道的基带信号时间反演处理模块和一个M通道的射频功率发射电路。M单元天线阵列的每个单元接收到N个不同频点导引信号的叠加。导引信号下变频接收电路将M个天线单元输出的M路N频点导引信号下变频至M路N频点基带信号。基带信号时间反演处理模块对M路N频点基带输入信号分别作时间反演，形成M路N频点基带输出信号。M路N频点基带输出信号经射频功率发射电路上变频至特定频段并放大，形成M路N频点馈电信号。M路N频点馈电信号经由M单元天线阵列形成N个不同频点的波束，分别指向不同的目标电子设备。从而实现对多个目标电子设备定向跟踪无线传能。

图2所示为本发明多目标移动设备跟踪无线能量传输系统与方法的实施例示意图。图2(a)为目标电子设备的无线能量接收子系统构成示意图。该示意图包括N个目标电子设备。每个目标电子设备包含导引信号发生器、环形器、天线、射频整流电路与负载五个组成部分。第i个目标电子设备需要接收无线能量时，导引信号发生器首先在天线工作频率范围内检测周围环境中已被占用的频点，选取一个未被占用的频点f_i，然后以角频率ω₀+Δω_i生成一个导引信号。ω₀+Δω_i＝2πf_i，其中ω₀＝2πf₀为天线工作频率范围内的中心频点f₀的角频率，Δω_i远小于ω₀。导引信号发生器生成的导引信号经环形器馈至天线，形成角频率为ω₀+Δω_i的导引信号发射。N个目标电子设备发射的N个不同频率的导引信号在空间叠加，并被无线能量发射设备接收。图2(b)所示为无线能量发射设备的实施例示意图。无线能量发射设备包含M单元的阵列天线，每个阵列天线单元连接一路无线能量发射通道。第m个无线能量发射通道中的阵列天线单元接收到的信号经双向放大器放大后，经环形器输出至镜像抑制下变频器。环形器输出的信号可以表示为

其中

和

分别为第i个目标电子设备发射的导引信号的幅度和相位。该信号与频率为ω₀的本振信号混频，输出为基带信号

该基带信号经模数转换后输入FPGA时间反演模块，时间反演后基带输出信号可以表示为

即FPGA时间反演模块的基带输出信号为基带输入信号的共轭。基带输出信号经镜像抑制上变频器与频率为ω₀的本振信号混频，输出信号为

该信号经环形器输入至双向放大器，放大后形成第m个天线单元的馈电。由于该馈电信号与接收到的导引信号在N个频点上互为相位共轭，M单元的阵列天线发射形成N个不同的功率波束，其中频率为f_i的功率波束指向第i个目标电子设备。第i个目标电子设备接收到的射频功率经环形器输出至射频-直流转换电路，射频-直流转换电路将接收到的射频功率转换为直流输出至负载。

图2所示实施例中，无线能量发射设备各个通道，以及各个目标电子设备包含的环形器也可以用单刀双掷射频开关代替，以实现天线收发双工。

本发明中基带信号时间反演处理的方法也可以用DSP快速傅里叶变换，或者其它频域分析方法替代，通过频域分析得到多个导引信号在各个频点上的相对相位差，并生成相应的基带共轭信号。

Claims (5)

1.多目标移动设备跟踪无线能量传输方法，其特征在于，多通道接收多个目标设备发出的导引信号在空间叠加形成的多频点导引信号，各目标设备发出的引导信号为特定频段内不同频点的单频导引信号；将多通道接收的多频点导引信号下变频至基带形成多路多频点基带信号；对多路多频点基带信号同时进行时间反演形成多路多频点基带共轭信号，将多路多频点基带共轭信号镜像抑制上变频至特定频段并放大形成多路多频点馈电信号，将多路多频点馈电信号转换为包含各目标设备引导信号频点的电磁波波束后辐射至各目标设备。

2.多目标移动设备跟踪无线能量传输系统，其特征在于，包括：

多个目标设备，以特定频段内互不相同的N个频点f₁,f₂,…,f_N同时发送一个单频导引信号，并同时接收特定频段内的无线能量，及，

无线能量发射设备，将M通道接收到的N频点导引信号下变频至基带形成M路N频点基带信号，对M路N频点基带信号进行时间反演形成M路N频点基带共轭信号，将M路N频点基带共轭信号镜像抑制上变频至特定频段并放大形成M路N频点馈电信号，将M路N频点馈电信号合成N个频率分别为f₁,f₂,…,f_N的波束后分别输送至各目标设备；

所述无线能量发射设备包括：

M单元天线阵列，接收N个目标设备发出的单频导引信号后形成M路N频点导引信号输出，接收M路N频点馈电信号后形成N个不同频点的波束分别指向N个目标设备，

M个双向放大器，对M单元天线阵列输出的M路N频点导引信号进行放大处理，对特定频段的M路N点馈电信号进行放大处理后馈电至M单元天线阵列，

M个双工器，将放大处理后的M路N频点导引信号传输至镜像抑制下变频器，将特定频段的M路N频点馈电信号传输至双向放大器，

M个镜像抑制下变频器，接收M路双工器输出的M路N频点导引信号，将接收的导引信号和本振信号进行镜像抑制混频，输出M路N频点基带信号，

M个模数转换器，采样M路N频点基带信号后输出M路数字信号，

时间反演模块，对M个模数转换器输出的M路数字信号同时进行时间反演处理，输出M路数字基带共轭信号，

M个数模转换器，将时间反演模块输出的M路数字基带共轭信号转换为M路N频点基带共轭信号，

M个镜像抑制上变频器，将M路N频点基带共轭信号和本振信号进行镜像抑制混频，输出特定频段的M路N频点馈电信号，

本振信号源，产生的2M路单频本振信号分两组分别输出至M路镜像抑制下变频器和M路镜像抑制上变频器，及，

同步控制信号源，产生的2M路同步控制信号分两组分别输出至M个模数转换器和M个数模转换器。

3.根据权利要求2所述多目标移动设备跟踪无线能量传输系统，其特征在于，每个目标设备都包含：

天线，发送特定频段内的单频导引信号，并接收特定频段内的无线能量，

导引信号发生器，在天线工作频率范围内检测周围环境中已被占用频点，选取一个未被占用的频点生成单频导引信号，

双工器，传输导引信号至天线，并将接收到的无线能量传输至射频-直流转换器，及，

射频-直流转换器，将接收到的无线能量转换为直流后供给负载。

4.根据权利要求3所述多目标移动设备跟踪无线能量传输系统，其特征在于，所述双工器通过环形器实现或者通过单刀双掷开关实现。

5.根据权利要求2所述多目标移动设备跟踪无线能量传输系统，其特征在于，所述时间反演模块为FPGA模块或快速傅里叶变换信号信号处理模块，通过频域分析得到M路导引信号在N个频点上的相对相位差，并生成相应的M路基带共轭信号。

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