CN113965211B - 一种适用于无线信能同传系统的新型发射机装置及信号发射方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于无线信能同传系统的新型发射机装置，包括：信号源、耦合模块、倍频模块、信息调制模块、滤波模块、功率放大模块和发射模块；所述的耦合模块包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述的滤波模块包括：通信滤波模块和功率滤波模块；发射模块包括双频天线和三端口器件。本发明中通过使用耦合模块及倍频模块，利用单个信号源可以产生频率不同的功率信号和通信信号，有效地减小发射端的体积方便集成，同时还可以改善多信号源发射器中所存在的信号互扰问题；本发明的发射机装置具有通用性，不仅适用于无线信能同传系统发射端，还适用于其他双频系统。

Description

一种适用于无线信能同传系统的新型发射机装置及信号发射方法
技术领域
本发明涉及无线能量传输和无线通信交叉领域，具体涉及一种适用于无线信能同传系统的新型发射机装置及信号发射方法。
背景技术
无线信能同传(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)，是指将信息和能量通过无线方式同时传输，是一种将无线通信技术和无线能量传输技术集成为一体的新兴技术。随着科技的发展，该技术已经逐渐成为一种趋势，它既能在实现高速可靠的通信交互，又能有效缓解电池技术所带来的能源稀缺的压力，并且也可以有效解决有线输能技术带来的成本高、线缆排布冗杂等一系列问题，在工业、医疗、基础设施发展等方面有着重要的应用价值。
目前，常见的无线信能同传系统主要有分离式、时隙切换式和功率分配式等，分离式无线信能同传系统是将其能量传输部分和信息传输部分进行分开的独立设计，该系统的结构简单易于实现，但是体积较大难于集成，不符合物联网时代对于收发设备小型化的要求。时隙切换式和功率分配式都是通过共用一组收发天线，对设备进行信息交互和能量供应。但是，时隙切换式需要开关进行切换，信息和能量传输不连续，并且发射端也是需要分开独立设计，不利于集成。而功率分配式系统是对信号进行功率和通信的分配传输，但是功率信号易和通信信号产生干扰，从而造成系统整体转换效率低、系统不稳定等问题。
发明内容
本发明提出一种适用于无线信能同传系统的新型发射机装置及信号发射方法，目的是对无线信能同传系统中的发射端进行集成化设计，减小系统体积。同时，该装置采用单个信号源和双频传输链路来产生和传输功率信号和通信信号，以降低它们之间的互扰，从而提升系统整体的效率和稳定性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种适用于无线信能同传系统的新型发射机装置，包括：信号源、耦合模块、倍频模块、信息调制模块、滤波模块、功率放大模块和发射模块；所述的耦合模块包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述的滤波模块包括：通信滤波模块和功率滤波模块；发射模块包括双频天线和三端口器件；所述的输入端口与信号源相连；所述的倍频模块与第二输出端口相连；所述的信息调制模块与耦合模块第一输出端口相连；所述的通信滤波模块和功率滤波模块分别连接信息调制模块和倍频模块；所述的功率放大模块连接功率滤波模块；所述的三端口器件的输入端口Port1和输入端口Port2分别连接通信滤波模块和功率放大模块，输出端口与双频天线相连。
进一步地，所述的信号源包括：单频信号源，用来产生频率f0＝2.45GHz的发射信号S1。
进一步地，所述的信号源产生的发射信号S1从输入端口输入到耦合模块后被分为信号S2和S3，分别从耦合模块的第一输出端口和第二输出端口输出。
进一步地，所述的信息调制模块包括：信息调制器。
进一步地，所述的倍频模块包括：倍频器。
进一步地，所述的通信滤波模块由中心频率为2.45GHz的带通滤波器构成。
进一步地，所述的功率滤波模块由中心频率为4.9GHz的带通滤波器构成。
进一步地，所述的功率放大模块包括：功率放大器。
进一步地，所述的双频天线的谐振频率为通信信号频率f0＝2.45GHz和功率信号频率f1＝4.9GHz。
本发明还提供一种适用于无线信能同传系统的新型发射机装置的信号发射方法，包括如下步骤：
(1)由信号源产生频率为f0的信号S1；
(2)信号S1从耦合模块的输入端口输入，经过耦合模块，信号S1被分为两路信号S2和S3分别从第一输出端口和第二输出端口输出，此时，两路信号的频率不变均为f0；
(3)信号S2经过信息调制模块加载信息后，变成通信信号C1进入中心频率为f0的通信滤波模块，后经过滤波消除杂波干扰输出至发射模块的输入端口Port1；
(4)信号S3经过倍频模块变为频率为f1的功率信号P1，后经过中心频率为f1的功率滤波模块和功率放大器，输出至发射模块的输入端口Port2；
(5)通过发射模块将通信信号C1和功率信号P1发射，这里发射模块中的三端口器件可以使装置进行双工工作；即通信信号C1和功率信号P1可以同时或分时独立发出。
本发明的技术原理：在无线信能同传系统工作时，在系统发射端需要同时发射功率信号和通信信号，如果采用分离式和时隙切换式等发射结构会带来体积较大、难于集成或信能传输不连续等问题；如果使用功率分配式发射结构会造成信号之间互相干扰、传输效率低和系统不稳定等情况。因此，本发明采用单个信号源产生频率为f0的发射信号，在减少信号源个数的同时，也减小了不同频率的信号源之间的互扰。信号源产生的信号经过耦合模块被分成两路，一路经过信息调制模块加载信息成为通信信号，另一路经过倍频和功率放大成为频率为f1的功率信号。两路信号形成两个不同频率的发射链路，然后经发射模块发射。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明中通过使用耦合模块及倍频模块，利用单个信号源可以产生频率不同的功率信号和通信信号，有效地减小发射端的体积方便集成，同时还可以改善多信号源发射器中所存在的信号互扰问题。
(2)本发明采用双频天线，功率信号和通信信号的发射共用一个发射天线，有效的减少发射器的体积，有利于降低成本和集成化，实现信能发射一体化的功能。
(3)本发明的发射机装置采用三端口器件进行双工工作，可以分时单独的发射功率信号或通信信号，也可以同时发射功率和通信信号，具有很大的灵活度。
(4)本发明的发射机装置具有通用性，不仅适用于无线信能同传系统发射端，还适用于其他双频系统。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
图1为本发明的适用于无线信能同传系统的新型发射机装置示意图；
图2为本发明的适用于无线信能同传系统的新型发射机装置的信号发射方法流程图；
图3为本发明的发射装置中信号的传递过程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明，下面将结合附图来为了对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面通过具体实施例，分别进行详细的说明。
如图1所示，本发明提出一种适用于无线信能同传系统的新型发射机装置包括：信号源、耦合模块、倍频模块、信息调制模块、滤波模块、功率放大模块和发射模块。
其中信号源包括：单频信号源，用来产生频率f0＝2.45GHz的发射信号S1。
耦合模块包括：1个输入端口和2个输出端口，并且其具有耦合或功率分配的功能，其中输入端口1与信号源相连。信号源产生的发射信号S1从输入端口1输入到耦合模块后被分为信号S2和S3，分别从耦合模块的第一输出端口2和第二输出端口3输出。此时在发射机装置内会形成两个传输链路，一路信号作为通信载波信号经过信息调制后形成信息发射通路；而另外一路信号经过倍频放大后形成不同频率的能量发射通路。一种可能的实现方式为定向耦合器；一种可能的实现方式为功率分配器等。
信息调制模块包括：信息调制器，与耦合模块第一输出端口2相连。用来将信息加载到耦合模块输出的信号S2上，使其变成通信信号C1进行后续的传输。
倍频模块包括：倍频器，与耦合模块第二输出端口3相连。用来对耦合模块输出的信号S3进行频率加倍，使其成为频率f1＝4.9GHz的功率信号P1进行传输。
滤波模块包括：通信滤波模块和功率滤波模块，它们分别是由中心频率为2.45GHz和4.9GHz的带通滤波器构成，分别接在信息调制模块和倍频模块后。用来对通信信号C1和功率信号P1进行干扰信号过滤。
功率放大模块包括：功率放大器，接在能量发射通路的功率滤波模块后。用来对功率信号P1进行放大。
发射模块包括双频天线和三端口器件。三端口器件的输入端口Port1和输入端口Port2分别连接信息发射通路的通信滤波模块和能量发射通路的功率放大模块，输出端口与双频天线相连，使整个发射模块进行双工工作。既可以分时单独的发射功率信号或通信信号，又可以同时发射功率和通信信号。双频天线的谐振频率为通信信号频率f0和功率信号频率f1。双频天线的谐振频率为通信信号频率f0＝2.45GHz和功率信号频率f1＝4.9GHz；一种可能的实现方式为双频双端口天线；一种可能的实现方式为双频单端口天线。三端口器件可使装置进行双工工作；一种可能实现的方式为开关，一种可能实现的方式为合路器等。
针对上述一种适用于无线信能同传系统的新型发射机装置，图2和图3分别为本发明的适用于无线信能同传系统的新型发射机装置的信号发射方法流程图及信号的传递过程示意图。
(1)由信号源产生频率为f0的信号S1；
(2)信号S1从耦合模块的输入端口1输入，经过耦合模块，信号S1被分为两路信号S2和S3分别从第一输出端口2和第二输出端口3输出，此时，两路信号的频率不变均为f0；
(3)信号S2经过信息调制模块加载信息后，变成通信信号C1进入中心频率为f0的通信滤波模块，后经过滤波消除杂波干扰输出至发射模块的输入端口Port1；
(4)信号S3经过倍频模块变为频率为f1的功率信号P1，后经过中心频率为f1的功率滤波模块和功率放大器，输出至发射模块的输入端口Port2；
(5)通过发射模块将通信信号C1和功率信号P1发射，这里发射模块中的三端口器件可以使装置进行双工工作；即通信信号C1和功率信号P1可以同时或分时独立发出。
本发明提出的一种适用于无线信能同传系统的新型发射机装置，对系统中的发射端进行集成化设计，减小系统体积。同时该装置采用单个信号源和双频发射链路来发射功率信号和通信信号，以降低它们之间的互扰，从而提升系统整体的效率和稳定性。为无线信能同传系统走向实际应用提供了的技术支持。
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，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于无线信能同传系统的新型发射机装置，其特征在于，包括：信号源、耦合模块、倍频模块、信息调制模块、滤波模块、功率放大模块和发射模块；所述的耦合模块包括输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述的滤波模块包括：通信滤波模块和功率滤波模块；发射模块包括双频天线和三端口器件；所述的输入端口与信号源相连；所述的倍频模块与第二输出端口相连；所述的信息调制模块与耦合模块第一输出端口相连；所述的通信滤波模块和功率滤波模块分别连接信息调制模块和倍频模块；所述的功率放大模块连接功率滤波模块；所述的三端口器件的输入端口Port1和输入端口Port2分别连接通信滤波模块和功率放大模块，输出端口与双频天线相连。
2.根据权利要求1所述的适用于无线信能同传系统的新型发射机装置，其特征在于，所述的信号源包括：单频信号源，用来产生频率f0＝2.45GHz的发射信号S1。
3.根据权利要求2所述的适用于无线信能同传系统的新型发射机装置，其特征在于，所述的信号源产生的发射信号S1从输入端口输入到耦合模块后被分为信号S2和S3，分别从耦合模块的第一输出端口和第二输出端口输出。
4.根据权利要求1所述的适用于无线信能同传系统的新型发射机装置，其特征在于，所述的信息调制模块包括：信息调制器。
5.根据权利要求1所述的适用于无线信能同传系统的新型发射机装置，其特征在于，所述的倍频模块包括：倍频器。
6.根据权利要求1所述的适用于无线信能同传系统的新型发射机装置，其特征在于，所述的通信滤波模块由中心频率为2.45GHz的带通滤波器构成。
7.根据权利要求1所述的适用于无线信能同传系统的新型发射机装置，其特征在于，所述的功率滤波模块由中心频率为4.9GHz的带通滤波器构成。
8.根据权利要求1所述的适用于无线信能同传系统的新型发射机装置，其特征在于，所述的功率放大模块包括：功率放大器。
9.根据权利要求1所述的适用于无线信能同传系统的新型发射机装置，其特征在于，所述的双频天线的谐振频率为通信信号频率f0＝2.45GHz和功率信号频率f1＝4.9GHz。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的适用于无线信能同传系统的新型发射机装置的信号发射方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)由信号源产生频率为f0的信号S1；
(2)信号S1从耦合模块的输入端口输入，经过耦合模块，信号S1被分为两路信号S2和S3分别从第一输出端口和第二输出端口输出，此时，两路信号的频率不变均为f0；
(3)信号S2经过信息调制模块加载信息后，变成通信信号C1进入中心频率为f0的通信滤波模块，后经过滤波消除杂波干扰输出至发射模块的输入端口Port1；
(4)信号S3经过倍频模块变为频率为f1的功率信号P1，后经过中心频率为f1的功率滤波模块和功率放大器，输出至发射模块的输入端口Port2；
(5)通过发射模块将通信信号C1和功率信号P1发射，这里发射模块中的三端口器件可以使装置进行双工工作；即通信信号C1和功率信号P1可以同时或分时独立发出。
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