CN111865355B - 一种基于二次谐波无线功率和信息传输系统 - Google Patents

一种基于二次谐波无线功率和信息传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于二次谐波无线功率和信息传输系统，所述系统包括发射及接收电路；发射电路由振荡器、滤波器I、功率放大器、滤波器II、耦合器、双频天线、谐波天线、低噪声放大器、混频器、ADC采样器及基带信号处理电路构成；接收电路由双频天线、谐波天线、改进型正交混合网络、整流器I、II构成；耦合器提供混频器本振信号；双频天线及谐波天线极化方向垂直，从而实现发射、接收高度隔离；改进型正交混合网络由传统型正交混合网络与两段四分之一波长短路支节构成；改进型正交混合网络端口P2与P3分别接整流器I、II；改进型正交混合网络端口P1与P4分别接双频天线及谐波天线，从而实现一种基于二次谐波无线功率和信息传输系统。

Description

一种基于二次谐波无线功率和信息传输系统
技术领域
本发明涉及无线功率传输系统领域，特别涉及一种基于二次谐波无线功率和信息传输系统。
背景技术
无线功率传输技术有效保障无人机续航。然而，识别跟踪无人机角度及位置信息仍具挑战，亟需额外反馈机制以辅助增强目标识别跟踪能力并动态调整微波功率及波束指向，实现距离自适应高效率无线功率传输目的。
发明内容
基于上述问题，本发明提出一种基于二次谐波无线功率和信息传输系统，因功率放大器非线性特点，激励发射天线基频及二次谐波，基频用作实现无线功率传输，二次谐波用作实现无线信息传输以辅助增强目标识别跟踪能力并动态调整微波功率及波束指向，实现距离自适应高效率无线功率传输目的。
本发明提供如下技术方案：
一种基于二次谐波无线功率和信息传输系统，所述系统包括发射端及接收端电路；发射端电路由振荡器、滤波器I、功率放大器、滤波器II、耦合器、双频天线(垂直极化)、谐波天线(水平极化)、低噪声放大器、混频器、ADC采样器及基带信号处理电路构成；接收端电路由双频天线(垂直极化)、谐波天线(水平极化)、改进型正交混合网络、整流器I及整流器II构成；发射端电路中耦合器提供混频器本振信号；发射端与接收端电路中双频天线(垂直极化)及谐波天线(水平极化)极化方向垂直，从而实现发射(无线功率传输)、接收(无线信息传输)高度隔离；接收端电路中改进型正交混合网络由传统型正交混合网络与两段四分之一波长短路支节构成，两段四分之一波长短路支节分别接在端口P1至P2支节与端口P3至P4支节中心；接收端电路中改进型正交混合网络端口P2与P3分别接整流器I及整流器II；接收端电路中改进型正交混合网络端口P1与P4分别接双频天线(垂直极化)及谐波天线(水平极化)，从而实现高隔离度无线功率(基频)和信息(二次谐波)传输目的。
包括以下步骤：
步骤1)：发射端电路中振荡器协同滤波器I输出基频信号(f0)，功率放大器(PA)放大基频信号同时，因其强非线性产生二次谐波(2f0)及其他高次谐波，通过滤波器II仅保留基频及二次谐波并通过耦合器激励双频天线(垂直极化)。接收端电路中双频天线(垂直极化)接收基频及二次谐波，由于改进型正交混合网络耦合特性，基频(f0)通过端口P1无耗传输至端口P2及P3满足整流器I及整流器II高效率整流输入需求；
步骤2)：接收端电路中双频天线(垂直极化)接收基频及二次谐波，由于改进型正交混合网络耦合特性，二次谐波(2f0)通过端口P1无耗传输至端口P4并激励谐波天线(水平极化)实现高隔离度谐波反馈；发射端电路中谐波天线(水平极化)捕获二次谐波反馈，通过低噪声放大器(LNA)放大，混频器混频及ADC采样器采样后作为基带处理电路数据(I[n]、Q[n])。
发射端与接收端电路中双频天线(垂直极化)及谐波天线(水平极化)极化方向垂直，从而实现发射(无线功率传输)、接收(无线信息传输)高度隔离。
本发明公开一种基于二次谐波无线功率和信息传输系统，包括发射端及接收端电路；发射端电路由振荡器、滤波器I、功率放大器、滤波器II、耦合器、双频天线(垂直极化)、谐波天线(水平极化)、低噪声放大器、混频器、ADC采样器及基带信号处理电路构成；接收端电路由双频天线(垂直极化)、谐波天线(水平极化)、改进型正交混合网络、整流器I及整流器II构成；发射端电路中耦合器提供混频器本振信号；发射端与接收端电路中双频天线(垂直极化)及谐波天线(水平极化)极化方向垂直，从而实现发射(无线功率传输)、接收(无线信息传输)高度隔离；接收端电路中改进型正交混合网络由传统型正交混合网络与两段四分之一波长短路支节构成，两段四分之一波长短路支节分别接在端口P1至P2支节与端口P3至P4支节中心；接收端电路中改进型正交混合网络端口P2与P3分别接整流器I及整流器II；接收端电路中改进型正交混合网络端口P1与P4分别接双频天线(垂直极化)及谐波天线(水平极化)，从而实现高隔离度无线功率(基频)和信息(二次谐波)传输目的。
附图说明
附图1为传统型正交混合网络结构图；
附图2为改进型正交混合网络结构图；
附图3为基于二次谐波无线功率和信息传输系统接收端电路结构示意图；
附图4为基于二次谐波无线功率和信息传输系统发射端电路结构示意图；
附图5为基于二次谐波无线功率和信息传输系统电路结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
附图1所示为传统型正交混合网络，其耦合特性可通过四端口散射参数矩阵表示，如公式(1)所示。当端口P1处输入基频信号时，因传统型正交混合网络特殊耦合特点，基频信号将被等功率分配至端口P2及端口P3处，进而满足整流器I与整流器II高效率射频至直流功率转换以及高效率输出直流功率整合。
附图2所示为改进型正交混合网络，改进型正交混合网络由传统型正交混合网络与两段四分之一波长短路支节构成，两段四分之一波长短路支节分别接在端口P1至P2支节与端口P3至P4支节中心。
Figure GDA0002998020850000051
当端口P1处同时输入基频与二次谐波时，因四分之一波长短路支节在基频时等效开路状态(对基频输入无任何影响)，基频输入将通过端口P1等功率分配至端口P2及端口P3处，进而满足整流器I与整流器II高效率射频至直流功率转换以及高效率输出直流功率整合。同时，端口P1处输入二次谐波将无耗传输至端口P4并激励谐波天线(水平极化)，实现二次谐波反馈无线信息传输目的。因此，改进型正交混合网络具有基频与二次谐波下双频工作模式，相应散射参数矩阵可通过公式(2-1)、(2-2)表示。
Figure GDA0002998020850000052
Figure GDA0002998020850000061
附图4所示发射端电路中振荡器协同滤波器I输出基频信号(f0)，功率放大器(PA)放大基频信号同时，因其强非线性产生二次谐波(2f0)及其他高次谐波，通过滤波器II仅保留基频及二次谐波并通过耦合器激励双频天线(垂直极化)。附图3所示接收端电路中双频天线(垂直极化)接收基频及二次谐波，由于改进型正交混合网络耦合特性，基频(f0)通过端口P1无耗传输至端口P2及P3满足整流器I及整流器II高效率整流输入需求；
接收端电路中双频天线(垂直极化)接收基频及二次谐波，由于改进型正交混合网络耦合特性，二次谐波(2f0)通过端口P1无耗传输至端口P4并激励谐波天线(水平极化)实现高隔离度谐波反馈；发射端电路中谐波天线(水平极化)捕获二次谐波反馈，通过低噪声放大器(LNA)放大，混频器混频及ADC采样器采样后作为基带处理电路数据(I[n]、Q[n])。同时，通过相应基带处理电路数据处理算法捕获接收端位置及角度等信息，从而辅助增强目标识别跟踪能力并动态调整微波功率及波束指向，实现距离自适应高效率无线功率传输目的。
上述本发明的实施方式是本发明的元件和特征的组合。除非另外提及，否则所述元件或特征可被视为选择性的。各个元件或特征可在不与其它元件或特征组合的情况下实践。另外，本发明的实施方式可通过组合部分元件和/或特征来构造。本发明的实施方式中所描述的操作顺序可重新排列。任一实施方式的一些构造可被包括在另一实施方式中，并且可用另一实施方式的对应构造代替。对于本领域技术人员而言明显的是，所附权利要求中彼此没有明确引用关系的权利要求可组合成本发明的实施方式，或者可在提交本发明之后的修改中作为新的权利要求包括。
在固件或软件配置方式中，本发明的实施方式可以模块、过程、功能等形式实现。软件代码可存储在存储器单元中并由处理器执行。存储器单元位于处理器的内部或外部，并可经由各种己知手段向处理器发送数据以及从处理器接收数据。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种基于二次谐波无线功率和信息传输系统，其特征在于，所述系统包括发射端及接收端电路；发射端电路由振荡器、滤波器I、功率放大器、滤波器II、耦合器、双频天线、谐波天线、低噪声放大器、混频器、ADC采样器及基带信号处理电路构成；振荡器协同滤波器I输出基频信号，功率放大器用于放大基频信号同时通过滤波器II仅保留基频及二次谐波并通过耦合器激励双频天线；谐波天线用于捕获二次谐波反馈，通过低噪声放大器放大，混频器混频及ADC采样器采样后作为基带处理电路数据；
接收端电路由双频天线、谐波天线、改进型正交混合网络、整流器I及整流器II构成；发射端电路中耦合器提供混频器本振信号；发射端与接收端电路中双频天线及谐波天线极化方向垂直，实现发射、接收高度隔离；接收端电路中改进型正交混合网络由传统型正交混合网络与两段四分之一波长短路支节构成，两段四分之一波长短路支节分别接在端口P1至P2支节与端口P3至P4支节中心；
接收端电路中改进型正交混合网络端口P2与P3分别接整流器I及整流器II；接收端电路中改进型正交混合网络端口P1与P4分别接双频天线及谐波天线，实现高隔离度无线功率和信息传输目的。
2.根据权利要求1所述的基于二次谐波无线功率和信息传输系统，其特征在于，所述系统执行如下步骤：
步骤1)：输出基频信号之后，功率放大器放大基频信号、激励双频天线；接收端电路中双频天线接收基频及二次谐波，基频通过端口P1无耗传输至端口P2及P3满足整流器I及整流器II高效率整流输入需求；
步骤2)：接收端电路中双频天线接收基频及二次谐波，二次谐波通过端口P1无耗传输至端口P4并激励谐波天线实现高隔离度谐波反馈；发射端电路中谐波天线捕获二次谐波反馈，通过低噪声放大器放大，混频器混频及ADC采样器采样后作为基带处理电路数据；
步骤3)，发射端与接收端电路中双频天线及谐波天线极化方向垂直，实现发射、接收高度隔离。
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