CN112398502B - 一种极化偏转非敏感无线功率和信息传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种极化偏转非敏感无线功率和信息传输系统，包括基站模块和整流天线；基站模块由发射、接收电路构成；基站模块中发射电路由振荡器、耦合器、功率放大器、控制电路、滤波器I以及双极化天线构成；基站模块中接收电路由双极化天线、滤波器II、低噪声放大器、混频器、ADC数据采样器以及基带信号处理电路构成；整流天线由双极化天线、正交耦合器、四分之一波长短路支节以及整流器I、II构成；双极化天线垂直、水平极化端口分别接正交耦合器输入、隔离端口；整流器I、II分别接正交耦合器直通、耦合端口；四分之一波长短路支节接整流器I、II输入端口抑制二次谐波增强整流效率。

Description

一种极化偏转非敏感无线功率和信息传输系统
技术领域
本发明涉及无线功率和信息传输系统，特别涉及一种极化偏转非敏感无线功率和信息传输系统。
背景技术
近年来，无线功率传输技术有效解决无线传感网络电池维护问题。然而，因电磁波极化偏转导致接收/发射天线极化错位，严重影响无线传感网络作用距离。因此，亟需附加额外信息传输电路以辅助无线传感网络识别跟踪以及距离自适应。
发明内容
基于上述问题，本发明提出了一种极化偏转非敏感无线功率和信息传输系统，实现高效率无线功率传输的同时满足高效率反向散射无线信息传输，辅助整流天线目标识别跟踪。
本发明提供如下技术方案：
一种极化偏转非敏感无线功率和信息传输系统，所述系统包括基站模块和整流天线；基站模块由发射、接收电路构成；基站模块中发射电路由振荡器、耦合器、功率放大器、控制电路、滤波器I以及双极化天线(垂直极化方向)构成；基站模块中接收电路由双极化天线(水平极化方向)、滤波器II、低噪声放大器、混频器、ADC数据采样器以及基带信号处理电路构成；基站模块发射电路中耦合器提供接收电路中混频器本振信号；基站模块发射电路中振荡器输出端接耦合器输入端，耦合器输出端接功率放大器输入端，耦合器耦合端接接收电路中混频器本振输入端；控制电路接功率放大器直流偏置端；功率放大器输出端接滤波器I输入端；滤波器I输出端接双极化天线(垂直极化方向)；基站模块接收电路中双极化天线(水平极化方向)接收反向散射信息，经过滤波器II传输至低噪声放大器输入端；低噪声放大器输出端接混频器输入端；混频器输出端接ADC采样器输入端；ADC采样器输出端接基带信号处理电路；整流天线由双极化天线、正交耦合器、四分之一波长短路支节以及整流器I、II构成；双极化天线垂直、水平极化端口分别接正交耦合器输入(P1)、隔离(P4)端口；整流器I、II分别接正交耦合器直通(P2)、耦合(P3)端口；四分之一波长短路支节分别接整流器I、II输入端口抑制二次谐波增强整流效率。
包括以下步骤：
步骤1)：基站模块发射电路中控制电路控制功率放大器放大振荡器输出并通过滤波器I以及双极化天线(垂直极化方向)发射电磁波；整流天线中双极化天线接收电磁波并通过正交耦合器传输至整流器I、II完成射频至直流功率转换；整流器I、II失配反射功率通过正交耦合器再次激励双极化天线实现反向散射无线信息传输；基站模块接收电路中双极化天线(水平极化方向)完全接收整流天线反向散射功率，通过滤波器II滤波、低噪声放大器放大、混频器混频以及ADC采样器采样后作为基带处理电路数据(I[n]、Q[n])。
步骤2)：基站模块以及整流天线中双极化天线发生极化错位时，基站模块发射电路中发射电磁波功率仍能无极化失配损耗传输至整流器I、II，满足极化偏转非敏感无线功率传输；同时，整流器I、II失配反射功率通过正交耦合器再次激励双极化天线实现反向散射无线信息传输，反向散射功率仍能无极化失配损耗传输至双极化天线(水平极化方向)，满足极化偏转非敏感无线信息传输，辅助整流天线目标识别。
本发明公开一种极化非敏感无线功率和信息传输系统，包括基站模块和整流天线；基站模块由发射、接收电路构成；基站模块中发射电路由振荡器、耦合器、功率放大器、控制电路、滤波器I以及双极化天线(垂直极化方向)构成；基站模块中接收电路由双极化天线(水平极化方向)、滤波器II、低噪声放大器、混频器、ADC数据采样器以及基带信号处理电路构成；基站模块发射电路中耦合器提供接收电路中混频器本振信号；基站模块发射电路中振荡器输出端接耦合器输入端，耦合器输出端接功率放大器输入端，耦合器耦合端接接收电路中混频器本振输入端；控制电路接功率放大器直流偏置端；功率放大器输出端接滤波器I输入端；滤波器I输出端接双极化天线(垂直极化方向)；基站模块接收电路中双极化天线(水平极化方向)接收反向散射信息，经过滤波器II传输至低噪声放大器输入端；低噪声放大器输出端接混频器输入端；混频器输出端接ADC采样器输入端；ADC采样器输出端接基带信号处理电路；整流天线由双极化天线、正交耦合器、四分之一波长短路支节以及整流器I、II构成；双极化天线垂直、水平极化端口分别接正交耦合器输入(P1)、隔离(P4)端口；整流器I、II分别接正交耦合器直通(P2)、耦合(P3)端口；四分之一波长短路支节分别接整流器I、II输入端口抑制二次谐波增强整流效率。本发明所提出的一种极化偏转非敏感无线功率和信息传输系统在实现高效率无线功率传输的同时满足高效率反向散射无线信息传输，辅助整流天线目标识别跟踪。
附图说明
附图1为极化偏转非敏感无线功率和信息传输系统基站模块结构图；
附图2为极化偏转非敏感无线功率和信息传输系统整流天线结构图；
附图3为极化偏转非敏感无线功率和信息传输系统工作电路原理图；
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3所示为极化偏转非敏感无线功率和信息传输系统工作电路原理图，当基站模块中双极化天线(垂直极化方向)发射线极化电磁波，线极化电磁波将传输至整流天线。因线极化电磁波与整流天线中双极化天线(垂直极化方向)发生极化偏转，偏转角度为φ，线极化电磁波将分解成两部分分别被整流天线中双极化天线垂直以及水平极化方向接收，并作为正交耦合器输入(P1)、隔离(P4)端口输入电压，可以计算为
Figure BDA0002767926940000041
Figure BDA0002767926940000042
正交耦合器具有特殊耦合性，其散射参数(S-parameters)矩阵如下
Figure BDA0002767926940000043
通过正交耦合器，输入(P1)、隔离(P4)端口输入电压Vin、Viso耦合传输至直通(P2)、耦合(P3)端口，相应端口电压Vdir、Vcou可以计算为
Figure BDA0002767926940000044
Figure BDA0002767926940000045
公式(4，5)表示直通(P2)、耦合(P3)端口相应端口电压Vdir、Vcou幅值相同，即功率相等，有助整流器I、II高效率射频至直流功率转换。同时，假设整流器I、II反射系数为Γ1、Γ2，因此直通(P2)、耦合(P3)端口相应端口电压V'dir、V'cou可以计算为
Figure BDA0002767926940000051
Figure BDA0002767926940000052
因为整流器I、II输入电压幅值相同，所以整流器I、II所对应反射系数满足Γ1＝Γ2＝Γ。因此，公式(5，6)作为输入功率再次进入正交耦合器并且传输至输入(P1)、隔离(P4)端口，相应端口电压V'in、V'iso可以计算为
Figure BDA0002767926940000053
Figure BDA0002767926940000054
公式(8，9)所示，反向散射功率将全部传输至基站模块接收电路中双极化天线(水平极化方向)，即发射电磁波与接收反向散射功率极化隔离，并且同样保持极化非敏感，实现极化非敏感无线功率和信息传输系统。
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)

1.一种极化偏转非敏感无线功率和信息传输系统，其特征在于：所述系统包括基站模块和整流天线；基站模块由发射、接收电路构成；基站模块中发射电路由振荡器、耦合器、功率放大器、控制电路、第一滤波器以及垂直极化方向第一双极化天线构成；基站模块中接收电路由水平极化方向第一双极化天线、第二滤波器、低噪声放大器、混频器、ADC采样器以及基带信号处理电路构成；基站模块发射电路中耦合器提供接收电路中混频器本振信号；基站模块发射电路中振荡器输出端接耦合器输入端，耦合器输出端接功率放大器输入端，耦合器耦合端接接收电路中混频器本振输入端；控制电路接功率放大器直流偏置端；功率放大器输出端接第一滤波器输入端；第一滤波器输出端接垂直极化方向第一双极化天线；基站模块接收电路中水平极化方向第一双极化天线接收反向散射功率，经第二滤波器传输至低噪声放大器输入端；低噪声放大器输出端接混频器输入端；混频器输出端接ADC采样器输入端；ADC采样器输出端接基带信号处理电路；整流天线由第二双极化天线、正交耦合器、四分之一波长短路支节以及第一、第二整流器构成，其中第一、第二整流器所对应反射系数满足Γ1＝Γ2＝Γ；所述第二双极化天线垂直、水平极化端口分别接正交耦合器输入、隔离端口；第一、第二整流器分别接正交耦合器直通、耦合端口；四分之一波长短路支节分别接第一、第二整流器输入端口；反向散射功率将全部传输至基站模块接收电路中水平极化方向第一双极化天线，发射电磁波与接收反向散射功率极化隔离。
2.根据权利要求1所述的极化偏转非敏感无线功率和信息传输系统，其特征在于：所述系统运行时执行如下步骤：步骤1)：基站模块发射电路中控制电路控制功率放大器放大振荡器输出并通过第一滤波器以及第一双极化天线发射电磁波；整流天线中第二双极化天线接收电磁波并通过正交耦合器传输至第一、第二整流器完成射频至直流功率转换；第一、第二整流器失配反射功率通过正交耦合器再次激励第二双极化天线实现反向散射无线信息传输；基站模块接收电路中第一双极化天线完全接收整流天线反向散射功率，通过第二滤波器滤波、低噪声放大器放大、混频器混频以及ADC采样器采样后作为基带处理电路数据；步骤2)：所述第一、第二双极化天线发生极化错位时，基站模块发射电路中发射电磁波功率仍能无极化失配损耗传输至第一、第二整流器，满足极化偏转非敏感无线功率传输；同时，第一、第二整流器失配反射功率通过正交耦合器再次激励第二双极化天线实现反向散射无线信息传输，反向散射功率仍能无极化失配损耗传输至第二双极化天线，满足极化偏转非敏感无线信息传输，辅助整流天线目标识别。
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