CN113178956A - 一种为移动用户进行连续无线能量传输的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种为移动用户进行连续无线能量传输的方法，安装有天线接收装置的移动用户位于发射天线阵列的菲涅尔区域内，无线能量传输在发射天线阵列的菲涅尔区域内进行。本发明利用贝塞尔或艾里波束的无衍射特性为沿直线或者曲线轨迹移动的移动用户进行连续输能。当接收天线装置在发射天线阵列覆盖区域内沿直线或者曲线轨迹移动时，发射天线阵列激励系数不需要进行连续调整来维持高效率无线能量传输，能够有效提高车辆行进中的无线能量传输效率。

Description

一种为移动用户进行连续无线能量传输的方法
技术领域
本发明属于无线能量传输(WPT)技术，提出一种在固定发射天线和移动接收天线之间进行连续无线能量传输的方法，具体为一种为移动用户进行连续无线能量传输的方法。
背景技术
无线能量传输(WPT)在上个世纪引起了极大关注。虽然辐射式传输方案更有利于远距离无线能量传输，但是传输效率相对较低，因此人们对辐射式和非辐射式传输方案都进行了深入研究。其中，效率是无线能量传输系统中的最重要参数，定义为负载端总接收功率与发射端总输入功率之比。对于辐射式无线能量传输，发射和接收口径位于彼此远场区域，Friis公式描述了效率参数，并且最优口径照度能够通过“G.Oliveri,L.Poli,andA.Massa,“Maximum efficiency beam synthesis of radiating planar arrays forwireless power transmission,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.61,no.5,pp.2490-2499,May 2013”中描述方法优化得到。对于菲涅尔区域的情况，“A.F.Kay,“Near-fieldgain of aperture antennas,”IRE Trans.Antennas Propag.,vol.AP-8,pp.586-593Nov.1960”和“G.V.Borgiotti,“Maximum power transfer between two planarapertures in the Fresnel Zone,”IRE Trans.Antennas Propag.,vol.AP-14,no.8,pp-158-163,Mar.1966”描述了最优发射和接收口径照度，即具有扁长球面波函数幅度分布和二次相位分布，另外，“W.Geyi,“Foundations of applied electrodynamics”.New York,NY,USA:Wiley,2010(pp.273-275)”和“L.Shan and W.Geyi,“Optimal design of focusedantenna arrays,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.62,no.11,pp.5565-5571,Nov.2014”描述了基于固定位置离散口径的优化过程。但是，上述方法只适用于口径位置固定的应用场景。
对于移动接收者，一种方案是使用能够连续变化的口径照度将能量聚焦于接收者的位置。但是，这提高了口径复杂度(通常增加了损耗)并且需要对接收者位置进行连续追踪。此外，对口径照度进行重构增加了调整时间，同时减少了移动用户可以接收的能量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用贝塞尔或艾里波束的无衍射特性为沿直线或者曲线轨迹移动的移动用户进行连续输能，能够有效提高车辆行进中的无线能量传输效率的为移动用户进行连续无线能量传输的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种为移动用户进行连续无线能量传输的方法，安装有天线接收装置的移动用户位于发射天线阵列的菲涅尔区域内，无线能量传输在发射天线阵列的菲涅尔区域内进行。
进一步地，发射天线阵列产生一个贝塞尔或者艾里波束，产生的贝塞尔波束沿着直线轨迹传播，艾里波束沿着曲线轨迹传输，波束在最大传输距离范围内都不会发生明显衰减。
进一步地，所述发射天线阵列由多个天线单元组成，每个天线单元通过一个输入端口进行馈电，对于贝塞尔波束，天线单元激励幅度分布满足第一类贝塞尔函数J0(kρρ)分布，其中ρ是每个天线单元到天线阵列中心点的距离，
Figure BDA0003032325980000021
k＝2π/λ，λ是天线单元工作频率对应的波长，D是发射天线阵列尺寸，zmax是发射天线阵列最大传播距离对应坐标。
进一步地，所述发射天线阵列由多个天线单元组成，每个天线单元通过一个输入端口进行馈电，对于艾里波束，其自加速特性能够进行一维及二维实现：
对于一维近似艾里波束，天线单元激励幅度满足函数
Figure BDA0003032325980000022
在y轴方向认为是均匀激励幅度分布；或者满足
Figure BDA0003032325980000023
其中，x是每个天线单元沿着x轴的位置坐标，x0表示沿x轴方向对应的主瓣宽度；Ai()表示艾里函数，f(y)代表沿y轴方向的锥削函数；
对于二维近似艾里波束，天线单元激励幅度满足函数
Figure BDA0003032325980000024
其中y0表示沿y轴方向对应的主瓣宽度。
本发明的有益效果是：本发明提出的方法利用贝塞尔或艾里波束的无衍射特性为沿直线或者曲线轨迹移动的移动用户进行连续输能。当接收天线装置在发射天线阵列覆盖区域内沿直线或者曲线轨迹移动时，发射天线阵列激励系数不需要进行连续调整来维持高效率无线能量传输，能够有效提高车辆行进中的无线能量传输效率。
附图说明
图1展示了常规车辆环境，并且由本发明提出的发射天线进行连续无线能量传输；
图2展示了安装于车辆上的接收装置，并且使用天线阵列作为发射天线，其中每个天线单元通过独立端口进行馈电；
图3展示了x-z平面内的理想聚焦波束，贝塞尔波束，以及艾里波束的归一化电场能量密度分布图；
图4展示了由口径尺寸为2m，如图2所示方形天线阵列生成的近似贝塞尔波束在x-z平面内的归一化电场能量密度分布；
图5展示了图4中的近似贝塞尔波束分别在z＝40m，z＝60m处，在x-y平面的归一化电场能量密度分布图，以及在不同接收天线口径尺寸下的最大可实现无线能量传输效率；
图6展示了由口径尺寸为2m，如图2所示方形天线阵列生成的近似贝塞尔波束在x-z平面内的归一化电场能量密度分布；
图7展示了图6中的近似贝塞尔波束分别在z＝200m，z＝300m处，在x-y平面的归一化电场能量密度分布图，以及在不同接收天线口径尺寸下的最大可实现无线能量传输效率；
图8展示了由口径尺寸为2m，如图2所示方形天线阵列生成的近似贝塞尔波束在x-z平面内的归一化电场能量密度分布；
图9展示了图8中的近似贝塞尔波束分别在z＝400m，z＝500m处，在x-y平面的归一化电场能量密度分布图，以及在不同接收天线口径尺寸下的最大可实现无线能量传输效率；
图10展示了由口径尺寸为3m，如图2所示方形天线阵列生成的近似贝塞尔波束在x-z平面内的归一化电场能量密度分布；
图11展示了图10中的近似贝塞尔波束分别在z＝600m，z＝700m处，在x-y平面的归一化电场能量密度分布图；
图12展示了由口径尺寸为4m，如图2所示方形天线阵列生成的近似贝塞尔波束在x-z平面内的归一化电场能量密度分布；
图13展示了图12中的近似贝塞尔波束分别在z＝900m，z＝1000m处，在x-y平面的归一化电场能量密度分布图，以及在不同接收天线口径尺寸下的最大可实现无线能量传输效率；
图14展示了由口径尺寸为2m，如图2所示方形天线阵列生成的近似艾里波束在x-z平面内的归一化电场能量密度分布；
图15展示了图14中的近似艾里波束分别在z＝17m，z＝30m处，在x-y平面的归一化电场能量密度分布图，以及在不同接收天线口径尺寸下的最大可实现无线能量传输效率；
图16展示了由口径尺寸为2m，如图2所示方形天线阵列生成的近似艾里波束在x-z平面内的归一化电场能量密度分布；
图17展示了图16中的近似艾里波束分别在z＝30m，z＝50m以及z＝70m处，在x-y平面的归一化电场能量密度分布图；
图18展示了相距R0的连续口径At和Ar分别分成小区域At,n以及Ar,m的示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
本发明的一种为移动用户进行连续无线能量传输的方法，安装有天线接收装置的移动用户位于发射天线阵列的菲涅尔区域内，无线能量传输在发射天线阵列的菲涅尔区域内进行，移动用户在天线阵列的菲涅尔区域内沿直线或曲线轨迹移动。
图1为经典车辆场景：将一个发射天线阵列装配于高架面板1，并且生成一个直线波束用于无线能量传输。同样使用高架天线阵列2和3分别生成沿直线和曲线轨迹传播的波束，并且为沿直线或曲线轨迹移动的车辆4连续充电。
如图2所示，每个车辆配备一个天线接收装置，其包括一个单天线或者天线阵列5；同时发射天线阵列6由多个天线单元7组成，并且通过输入馈电点8进行馈电。
发射天线阵列产生一个贝塞尔或者艾里波束，产生的贝塞尔波束沿着直线轨迹传播，艾里波束沿着曲线轨迹传输，波束在最大传输距离范围内都不会发生明显衰减。实际应用中，基于接收者移动轨迹来设计发射天线阵列单元，如果移动用户的移动轨迹是直线，则发射沿直线传播的贝塞尔波束；如果移动用户的移动轨迹是曲线，则发射艾里波束。然后根据发射不同的波束来设计发射阵列单元激励系数。
对于位置固定的发射和接收口径，当发射功率聚焦于接收位置时，无线能量传输效率最大，如图3中归一化电场能量密度9所示，在这种情形下，功率聚焦于x-z平面的特定坐标位置10，但是当接收者移动出该坐标范围，效率会急剧下降。另外，发射口径照度需要一定的建立时间，这也会导致使用能量聚焦方法传输到移动接收者的能量减少。一种不同的方案提出使用近似无衍射波束进行无线能量传输，其归一化电场能量密度在特定传播轨迹范围内较大。例如，理想贝塞尔波束11在沿直线轨迹12传输的主瓣范围内展示了无衍射特性，并且具有较大电场能量密度分布。另外对于艾里波束13，其主瓣14沿曲线轨迹传输，并且没有发生较大衰减。如图1所示，行车道限制了车辆移动轨迹，因此，如果生成波束能够在行车道范围内具有较大能量密度分布，则相对于聚焦波束解决方案，能够有效提高车辆行进中的无线能量传输效率。
本发明的方法能够有效应用于接收者在某一特定地形内移动的其它环境中，比如接收者在室内直廊移动。
无衍射波束存在于发射口径的近场区域，为了传输实功率，接收者应该位于近场辐射区域(也称为菲涅尔区域)，其中，无衍射波束传输距离
Figure BDA0003032325980000041
因此，需要通过增大发射口径尺寸D来提高无衍射波束传输距离。
所述发射天线阵列由多个天线单元组成，每个天线单元通过一个输入端口进行馈电。通过对初始位置(z＝0)处的特定波束场分布进行有效采样，发射天线阵列能够辐射无衍射波束。根据[P.Lemaitre-Auger,S.Abielmona,and C.Caloz,“Generation of Besselbeams by two-dimensional antenna arrays using sub-sampled distributions,”IEEETrans.Antennas Propag.vol.61,no.4,pp.1838-1849,2013]，对于贝塞尔波束，只要天线单元激励幅度分布满足第一类贝塞尔函数J0(kρρ)分布，就能够生成近似贝塞尔波束，其中ρ是每个天线单元到天线阵列中心点的距离；
Figure BDA0003032325980000051
k＝2π/λ，λ是天线单元工作频率对应的波长，D是发射天线阵列尺寸，zmax是发射天线阵列最大传播距离对应坐标。
示例中的近似贝塞尔波束的归一化电场能量密度能够通过计算辐射电场得到：
Figure BDA0003032325980000052
其中N是天线单元数量，wi指第i个单元馈电激励系数，ri(x，y，z)代表第i个天线单元到点(x,y,z)的距离，如图4到图11所示。图3展示了x-z平面内的理想聚焦波束、贝塞尔波束、艾里波束的归一化电场能量密度分布图；图4展示了由口径尺寸为2m，如图2所示方形天线阵列生成的近似贝塞尔波束在x-z平面内的归一化电场能量密度分布，其中阵列单元间距均为λ/2，工作频率35GHz(zmax＝60m,kρ＝24.421)；图5展示了图4中的近似贝塞尔波束分别在z＝40m(图5(a))，z＝60m(图5(b))处，在x-y平面的归一化电场能量密度分布图，以及在不同接收天线口径尺寸下的最大可实现无线能量传输效率；图6展示了由口径尺寸为2m，如图2所示方形天线阵列生成的近似贝塞尔波束在x-z平面内的归一化电场能量密度分布，其中阵列单元间距均为λ/2，工作频率35GHz(zmax＝300m,kρ＝4.8868)；图7展示了图6中的近似贝塞尔波束分别在z＝200m(图7(a))，z＝300m(图7(b))处，在x-y平面的归一化电场能量密度分布图，以及在不同接收天线口径尺寸下的最大可实现无线能量传输效率；图8展示了由口径尺寸为2m，如图2所示方形天线阵列生成的近似贝塞尔波束在x-z平面内的归一化电场能量密度分布，其中阵列单元间距均为λ/2，工作频率35GHz(zmax＝500m,kρ＝2.9321)；图9展示了图8中的近似贝塞尔波束分别在z＝400m(图9(a))、z＝500m(图9(b))处，在x-y平面的归一化电场能量密度分布图，以及在不同接收天线口径尺寸下的最大可实现无线能量传输效率；图10展示了由口径尺寸为3m，如图2所示方形天线阵列生成的近似贝塞尔波束在x-z平面内的归一化电场能量密度分布，其中阵列单元间距均为λ/2，工作频率35GHz(zmax＝700m，kρ＝3.1416)；图11展示了图10中的近似贝塞尔波束分别在z＝600m(图11(a))、z＝700m(图11(b))处，在x-y平面的归一化电场能量密度分布图；
通过增大式(1)中的Zmax，能够有效增大近似贝塞尔波束的传播距离，另外，如图4，6，8所示，随着传播距离增加，归一化电场能量密度开始显著减小。由图可以看到kρ值不能过小(kρ应该大于2)，否则传播距离就会减小。另外，可以通过增大发射天线阵列尺寸D来提高贝塞尔波束传输距离。例如，当发射口径尺寸D为3m时，图10-11展示了归一化电场能量密度分布，其中传输距离超过了500m，另外，当设置发射口径尺寸D为4m时，传播距离能够接近1000m，如图12-13所示。图12展示了由口径尺寸为4m，如图2所示方形天线阵列生成的近似贝塞尔波束在x-z平面内的归一化电场能量密度分布，其中阵列单元间距均为0.75λ，工作频率35GHz(zmax＝1200m,kρ＝2.4434)；图13展示了图12中的近似贝塞尔波束分别在z＝900m(图13(a))，z＝1000m(图13(b))处，在x-y平面的归一化电场能量密度分布图，以及在不同接收天线口径尺寸下的最大可实现无线能量传输效率(其中发射阵列单元和接收阵列单元的辐射效率均为
Figure BDA0003032325980000061
)。
所述发射天线阵列由多个天线单元组成，每个天线单元通过一个输入端口进行馈电。类似地，可以通过合理激励发射天线阵列单元来辐射近似艾里波束，每个天线单元激励幅度应该满足截止近似艾里波束函数分布([M.Zamboni-Rached,“Airy-type beamsgenerated by finite apertures,”in Proc.Int.Conf.Electrom.Adv.Appl.(ICEAA),Torino,Italy,9-13Sept.2013,pp.1220-1223])。
对于艾里波束，其自加速特性能够进行一维及二维实现：
对于一维近似艾里波束，天线单元激励幅度满足函数
Figure BDA0003032325980000062
在y轴方向认为是均匀激励幅度分布；或者满足
Figure BDA0003032325980000063
其中，x是每个天线单元沿着x轴的位置坐标，x0表示沿x轴方向对应的主瓣宽度；Ai()表示艾里函数，f(y)代表沿y轴方向的锥削函数；
对于二维近似艾里波束，天线单元激励幅度满足函数
Figure BDA0003032325980000064
其中y0表示沿y轴方向对应的主瓣宽度。
下面给出一维自加速的例子，其中沿y轴方向均匀分布。
图14-17展示了由口径尺寸D＝2m，单元间距为λ/2(工作频率35GHz)的方型阵列在不同参数x0情况下生成的归一化电场能量密度分布图。图14展示了由口径尺寸为2m，如图2所示方形天线阵列生成的近似艾里波束在x-z平面内的归一化电场能量密度分布，其中阵列单元间距均为λ/2，工作频率35GHz(x0＝6λ)；图15展示了图14中的近似艾里波束分别在z＝17m图15(a)和z＝30m图15(b)处，在x-y平面的归一化电场能量密度分布图，以及在不同接收天线口径尺寸下的最大可实现无线能量传输效率；在图14-15中，设置参数x0＝6λ可以使得传播距离达到30m，并且在图14和15中能够清晰观察到自加速现象。通过设置x0＝10λ，能够减小自加速现象并且实现更远的传输距离，如图16-17所示：图16展示了由口径尺寸为2m，如图2所示方形天线阵列生成的近似艾里波束在x-z平面内的归一化电场能量密度分布，其中阵列单元间距均为λ/2，工作频率35GHz(x0＝10λ)；图17展示了图16中的近似艾里波束分别在z＝30m(图17(a))，z＝50m(图17(b))以及z＝70m图17(c)处，在x-y平面的归一化电场能量密度分布图。
图18展示了相距R0的连续口径At和Ar分别分成小区域At,n以及Ar,m的示意图。
为了估计无线能量传输效率(定义为接收瞬时功率与发射功率之比)，首先考虑如图18所示相距R0的发射和接收连续口径，根据下式进行计算：
Figure BDA0003032325980000071
其中，ft(P′)和fr(P)分别代表位于At和Ar上的点P′＝(x′,y′，0)和点P＝(x，y，R0)处的发射和接收口径照度(激励)，k＝2π/λ代表波数，
Figure BDA0003032325980000072
是点P到点P′的距离。因为使用天线阵列来近似连续口径，现在考虑使用如图18中分别具有N和M个单元的发射和接收阵列来离散化连续口径，其中发射和接收阵列的每个次表面At，n和Ar，m代表由第n个和第m个天线单元所占空间。因此，式(3)可以写成：
Figure BDA0003032325980000073
其中，ft(Pn′)和fr(Pm)是ft(P′)和fr(P)的离散版本，另外，
Figure BDA0003032325980000074
rmn表示发射阵列第n个天线单元到接收阵列第m个天线单元的距离。通过使用毫米波频段，能够设置足够大的N和M来使得近似式(4)更加准确。通过将每个天线单元的有效口径
Figure BDA0003032325980000075
和
Figure BDA0003032325980000076
作为产生辐射功率的有效表面(其中
Figure BDA0003032325980000077
和
Figure BDA0003032325980000078
分别是发射和接收阵列天线单元的口径效率)，(4)能够被重新写成
Figure BDA0003032325980000079
口径效率可以写成
Figure BDA0003032325980000081
其中，
Figure BDA0003032325980000082
和
Figure BDA0003032325980000083
Dt，n和Dr，m分别是发射和接收阵列单元辐射效率和方向性系数。因此，式(5)可以写为：
Figure BDA0003032325980000084
最后，通过假设天线单元相同，即，
Figure BDA0003032325980000085
以及
Figure BDA0003032325980000086
Figure BDA0003032325980000087
(选择N和M数值较大，可以有效近似均匀分布阵列)，并且Dt，n＝Dt，Dr，n＝Dr，因此效率能够写成：
Figure BDA0003032325980000088
应该注意的是，方向性系数应该包括天线辐射方向图，因此，该近似表达式可以认为是可实现无线能量传输效率上界。另外，可以使用该式来估计在不同接收口径尺寸Ar以及距离R0情况下，使用贝塞尔波束和艾里波束可以实现的无线能量传输效率，如图7、9、13、15所示。最后，为了对接收总能量进行估计，使用式(8)中的效率值乘上发射功率Pt，并且在时间T内进行积分，得到：
Figure BDA0003032325980000089
其中，接收者的位置是关于时间的函数：z＝z(t)，并且它取决于接收者的移动轨迹和速度。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种为移动用户进行连续无线能量传输的方法，其特征在于，安装有天线接收装置的移动用户位于发射天线阵列的菲涅尔区域内，无线能量传输在发射天线阵列的菲涅尔区域内进行。
2.根据权利要求1所述的一种为移动用户进行连续无线能量传输的方法，其特征在于，发射天线阵列产生一个贝塞尔或者艾里波束。
3.根据权利要求2所述的一种为移动用户进行连续无线能量传输的方法，其特征在于，所述发射天线阵列由多个天线单元组成，每个天线单元通过一个输入端口进行馈电，对于贝塞尔波束，天线单元激励幅度分布满足第一类贝塞尔函数J0(kρρ)分布，其中ρ是每个天线单元到天线阵列中心点的距离，
Figure FDA0003032325970000011
k＝2π/λ，λ是天线单元工作频率对应的波长，D是发射天线阵列尺寸，zmax是发射天线阵列最大传播距离对应坐标。
4.根据权利要求2所述的一种为移动用户进行连续无线能量传输的方法，其特征在于，所述发射天线阵列由多个天线单元组成，每个天线单元通过一个输入端口进行馈电，对于艾里波束，其自加速特性能够进行一维及二维实现：
对于一维近似艾里波束，天线单元激励幅度满足函数
Figure FDA0003032325970000012
在y轴方向认为是均匀激励幅度分布；或者满足
Figure FDA0003032325970000013
其中，x是每个天线单元沿着x轴的位置坐标，x0表示沿x轴方向对应的主瓣宽度；Ai()表示艾里函数，f(y)代表沿y轴方向的锥削函数；
对于二维近似艾里波束，天线单元激励幅度满足函数
Figure FDA0003032325970000014
其中y0表示沿y轴方向对应的主瓣宽度。
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