CN113965213B - 一种适用于无线信能同传系统的新型接收机装置 - Google Patents

一种适用于无线信能同传系统的新型接收机装置 Download PDF

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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接收机装置，包括：接收天线、耦合隔离模块、滤波模块、移相模块、整流模块、信息解码模块和电池；耦合隔离模块包括：输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口；滤波模块包括：功率滤波模块和通信滤波模块；所述的接收天线输出端口与耦合隔离模块的输入端口相连；所述的功率滤波模块分别接在直通端口和隔离端口；所述的通信滤波模块接在耦合端口；所述的通信滤波模块与信息解码模块相连；所述的移相模块分别与功率滤波模块和整流模块相连，所述的整流模块与电池相连。本发明解决了无线信能同传系统接收端的整流子系统和信息解码子系统之间存在的互相干扰的问题，提升系统整体的效率和稳定性。

Description

一种适用于无线信能同传系统的新型接收机装置
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接收机装置。
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。随着物联网时代的到来，整合无线能量传输技术和无线通信技术逐渐成为一种趋势，既能在实现高速可靠的通信交互的同时，又能有效解决电池或线缆的方式给这些设备供电会带来成本高、定时更换电池、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，最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，前者是对系统的能量传输部分和信息传输部分进行分开的独立设计，系统结构简单，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。后两者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，在接收端的整流子系统和信息解码子系统之间会存在干扰，接收器接收到的功率信号往往也会伴随着通信信号，这样就会造成系统解码困难，整体转换效率低，系统不稳定等问题。
因此，如何解决无线信能同传系统中接收端整流子系统和信息解码子系统之间的干扰，提升系统整体效率和稳定性是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
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接收机装置，目的是克服现有无线信能同传系统中接收端整流子系统和信息解码子系统之间的干扰等问题，降低解码难度，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接收机装置，包括：接收天线、耦合隔离模块、滤波模块、移相模块、整流模块、信息解码模块和电池；所述的耦合隔离模块包括：输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口；所述的滤波模块包括：功率滤波模块和通信滤波模块；所述的接收天线输出端口与耦合隔离模块的输入端口相连；所述的功率滤波模块分别接在直通端口和隔离端口；所述的通信滤波模块接在耦合端口；所述的通信滤波模块与信息解码模块相连；所述的移相模块分别与功率滤波模块和整流模块相连，所述的整流模块与电池相连。
进一步地，所述的接收天线包括：双频天线，用来接收不同频率的功率信号和通信信号，所述的功率信号和通信信号是窄带信号。
进一步地，所述的耦合隔离模块是具有耦合和隔离功能的宽带四端口器件，包括3dB耦合器或是环形器。
进一步地，所述的输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口，每个端口间具有互异性。
进一步地，从直通端口和耦合端口输出的信号为等幅信号且存在90°的相位差。
进一步地，所述的滤波模块由窄带带通滤波器构成。
进一步地，所述的移相模块是具有90°移相功能的器件，包括90°移相器或是巴伦。
进一步地，所述整流模块包括：整流电路。
进一步地，所述信息解码模块包括：解码器。
进一步地，所述的新型接收机装置内的信号传递过程包括如下：
(1)功率信号:
1)由接收天线接收到频率为f1的功率信号P1；其中，P1信号的幅度和相位分别为A和
Figure BDA0003278210230000034
2)功率信号P1经过输入端口进入耦合隔离模块，而后从直通端口和耦合端口等幅输出到功率滤波模块；此时，从直通端口和耦合端口输出的功率信号为P1-2和P1-4，隔离端口则没有功率信号输出；其中，P1-2的幅度和相位分别为A/2和
Figure BDA0003278210230000031
P1-4的幅度和相位为A/2和
Figure BDA0003278210230000032
3)功率信号P1-2和P1-4经过功率滤波模块进入移相模块和整流模块转化为直流信号I1为电池供电；
(2)通信信号：
1)接收天线在接收到功率信号P1的同时，也会接收到频率为f2的通信信号C1；其中，C1信号的幅度和相位分别为B和
Figure BDA0003278210230000033
2)通信信号C1由输入端口进入耦合隔离模块，而后从直通端口和耦合端口等幅输出到功率滤波模块；此时，从直通端口和耦合端口输出的通信信号为C1-2和C1-4，隔离端口没有通信信号输出；其中，C1-2的幅度和相位分别为B/2和
Figure BDA0003278210230000041
C1-4的幅度和相位为B/2和
Figure BDA0003278210230000042
3)通信信号C1-2和C1-4经过功率滤波模块会被反射重新从直通端口和耦合端口进入耦合隔离模块并从输入端口和隔离端口输出；
因耦合隔离模块具有互异性，C1-2信号被分为C1-2-1和C1-2-3，从输入端口和隔离端口输出，两个信号的幅度相位分别为B/4，
Figure BDA0003278210230000043
和B/4，
Figure BDA0003278210230000044
C1-4信号被分为C1-4-1和C1-4-3，从输入端口和隔离端口输出，两个信号的幅度相位分别为B/4，
Figure BDA0003278210230000045
和B/4，
Figure BDA0003278210230000046
4)C1-2-1和C1-4-1在输入端口处幅度相同，相位相差180°，信号相互叠加后抵消；C1-2-3和C1-4-3在隔离端口处相位相同，可叠加进入通信滤波模块，后输入到信息解码模块；
5)若通信信号进入耦合隔离模块前伴随有功率信号，也可被通信滤波模块的带通滤波器反射进入耦合隔离模块，被重新利用。
本发明的技术原理：在无线信能同传系统工作时，在系统接收端会同时接收到不同频率的功率信号和通信信号，信号之间也会互相干扰，影响后续功率整流及信息解码。因此，在信号进入整流和信息解码子系统前，首先让其通过耦合隔离模块和功率滤波模块，使功率信号和通信信号分开，功率信号进入整流子系统变成直流信号为负载供电，而通信信号则被功率滤波模块反射重新从耦合隔离模块的直通和耦合端口输入，从输入和隔离端口输出。根据耦合隔离模块中的3dB定向耦合器的特性，在输入端口输出的通信信号会反向抵消，而在隔离端口输出的通信信号会同相叠加后通过通信滤波模块进入信息解码子系统。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明中使用耦合隔离模块及功率滤波模块，利用了四端口耦合器可以有效地将功率信号和通信信号分开，解决了无线信能同传系统接收端的整流子系统和信息解码子系统之间存在的互相干扰的问题，降低了系统解码难度，提升系统整体的效率和稳定性。
(2)本发明采用双频天线，能量传输和通信共用一个接收天线，有效的减少接收器的体积，有利于降低成本和集成化，实现信能一体化的功能。
(3)本发明采用的通信滤波模块，也可以使功率信号发生反射，重新进入耦合隔离模块被利用，有利于提高整个系统的能量传输效率。
(4)本发明的装置具有通用性，不仅适用于无线信能同传系统接收端，还适用于其他双频系统，可以有效地消除不同频率信号之间的干扰。
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接收机装置示意图；
图2为本发明接收器中功率信号的传递过程及配套流程图；
图3为本发明接收器中通信信号的传递过程及配套流程图。
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方案，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接收机装置，包括：接收天线、耦合隔离模块、滤波模块、移相模块、整流模块、信息解码模块和电池。
接收天线为双频天线，用来接收不同频率的功率信号和通信信号，接收天线输出端口与耦合隔离模块的输入输入端口1相连。
耦合隔离模块包括：输入端口1、直通端口2、隔离端口3和耦合端口4。输入端口1与接收天线相连，将信号输入耦合隔离模块；耦合隔离模块中各个端口具有互异性，即从输入端口1输入，会从直通端口2和耦合端口4输出，隔离端口3隔离；从直通端口2输入，会从输入端口1和隔离端口3输出，耦合端口4隔离；从隔离端口3输入，会从耦合端口4和直通端口2输出，输入端口1隔离；从耦合端口4输入，会从隔离端口3和输入端口1输出，直通端口2隔离。从直通端口和耦合端口输出的信号为等幅信号且存在90°的相位差。耦合隔离模块的频带包括功率信号和通信信号；一种可能的实现方式为宽带3dB定向耦合器；一种可能的实现方式为宽带环形器等。
滤波模块包括：功率滤波模块和通信滤波模块。功率滤波模块分别接在耦合隔离模块直通端口2和耦合端口4；通信滤波模块接在耦合隔离模块隔离端口3；分别用来对功率信号和通信信号进行选择，并反射另一种信号，通信滤波模块与信息解码模块相连；滤波模块由窄带带通滤波器构成。
移相模块是90°移相器，或是巴伦等具有移相功能的器件；移相模块分别与功率滤波模块和整流模块相连，整流模块与电池相连；对功率滤波模块输出的功率信号进行移相，使其同相叠加。
针对上述一种适用于无线信能同传系统的新型接收机装置，图2和图3为本发明的适用于无线信能同传系统的新型接收机装置内的功率信号和通信信号的传递流程。
1、功率信号，如图2所示：
(1)由接收天线接收到频率f1＝5.8GHz的功率信号P1。其中，P1信号的幅度和相位分别为A和
Figure BDA0003278210230000071
(2)功率信号P1经过输入端口1进入耦合隔离模块，而后从直通端口2和耦合端口4等幅输出到功率滤波模块。此时，从直通端口2和耦合端口4输出的功率信号为P1-2和P1-4，其中，P1-2的幅度和相位分别为A/2和
Figure BDA0003278210230000072
P1-4的幅度和相位为A/2和
Figure BDA0003278210230000073
(3)功率信号P1-2和P1-4经过中心频率为5.8GHz的功率滤波模块进入移相模块和整流模块转化为直流信号I1为电池供电。
2、通信信号，如图3所示：
(1)接收天线在接收到功率信号P1的同时，也会接收到频率为f2＝2.45GHz的通信信号C1。其中，C1信号的幅度和相位分别为B和
Figure BDA0003278210230000081
(2)通信信号C1由输入端口1进入耦合隔离模块，而后从直通端口2和耦合端口4等幅输出到功率滤波模块。此时，从直通端口2和耦合端口4输出的通信信号为C1-2和C1-4，其中，C1-2的幅度和相位分别为B/2和
Figure BDA0003278210230000082
C1-4的幅度和相位为B/2和
Figure BDA0003278210230000083
(3)通信信号C1-2和C1-4经过中心频率为5.8GHz的功率滤波模块会被反射重新从直通端口2和耦合端口4进入耦合隔离模块并从输入端口1和隔离端口3输出。
因耦合隔离模块具有互异性，C1-2信号被分为C1-2-1和C1-2-3，从输入端口1和隔离端口3输出，两个信号的幅度相位分别为B/4，
Figure BDA0003278210230000084
和B/4，
Figure BDA0003278210230000085
C1-4信号被分为C1-4-1和C1-4-3，从输入端口1和隔离端口3输出，两个信号的幅度相位分别为B/4，
Figure BDA0003278210230000086
和B/4，
Figure BDA0003278210230000087
(4)C1-2-1和C1-4-1在输入端口1处幅度相同，相位相差180°，信号相互叠加后抵消。而C1-2-3和C1-4-3在隔离端口3处相位相同，可叠加进入中心频率为2.45GHz的通信滤波模块，后输入到信息解码模块。
本发明提出的一种适用于无线信能同传系统的新型接收机装置，克服了现有无线信能同传系统中接收端整流子系统和信息解码子系统之间的干扰等问题，降低了解码难度，提升了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 (9)

1.一种适用于无线信能同传系统的新型接收机装置，其特征在于，包括：接收天线、耦合隔离模块、滤波模块、移相模块、整流模块、信息解码模块和电池；所述的耦合隔离模块包括：输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口；所述的滤波模块包括：功率滤波模块和通信滤波模块；所述的接收天线输出端口与耦合隔离模块的输入端口相连；所述的功率滤波模块分别接在直通端口和隔离端口；所述的通信滤波模块接在耦合端口；所述的通信滤波模块与信息解码模块相连；所述的移相模块分别与功率滤波模块和整流模块相连，所述的整流模块与电池相连；
从直通端口和耦合端口输出的信号为等幅信号且存在90°的相位差。
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接收机装置，其特征在于，所述的接收天线包括：双频天线，用来接收不同频率的功率信号和通信信号，所述的功率信号和通信信号是窄带信号。
3.根据权利要求1所述的适用于无线信能同传系统的新型接收机装置，其特征在于，所述的耦合隔离模块是具有耦合和隔离功能的宽带四端口器件，包括宽带3dB耦合器或是环形器。
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接收机装置，其特征在于，所述的输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口，每个端口间具有互异性。
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接收机装置，其特征在于，所述的滤波模块由窄带带通滤波器构成。
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接收机装置，其特征在于，所述的移相模块是具有90°移相功能的器件，包括90°移相器或是巴伦。
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接收机装置，其特征在于，所述整流模块包括：整流电路。
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接收机装置，其特征在于，所述信息解码模块包括：解码器。
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接收机装置，其特征在于，所述的新型接收机装置内的信号传递过程包括如下：
(1)功率信号:
1)由接收天线接收到频率为f1的功率信号P1；其中，P1信号的幅度和相位分别为A和
Figure FDA0003888838640000021
2)功率信号P1经过输入端口进入耦合隔离模块，而后从直通端口和耦合端口等幅输出到功率滤波模块；此时，从直通端口和耦合端口输出的功率信号为P1-2和P1-4，隔离端口则没有功率信号输出；其中，P1-2的幅度和相位分别为A/2和
Figure FDA0003888838640000022
P1-4的幅度和相位为A/2和
Figure FDA0003888838640000023
3)功率信号P1-2和P1-4经过功率滤波模块进入移相模块和整流模块转化为直流信号I1为电池供电；
(2)通信信号：
1)接收天线在接收到功率信号P1的同时，也会接收到频率为f2的通信信号C1；其中，C1信号的幅度和相位分别为B和
Figure FDA0003888838640000024
2)通信信号C1由输入端口进入耦合隔离模块，而后从直通端口和耦合端口等幅输出到功率滤波模块；此时，从直通端口和耦合端口输出的通信信号为C1-2和C1-4，隔离端口没有通信信号输出；其中，C1-2的幅度和相位分别为B/2和
Figure FDA0003888838640000031
C1-4的幅度和相位为B/2和
Figure FDA0003888838640000032
3)通信信号C1-2和C1-4经过功率滤波模块会被反射重新从直通端口和耦合端口进入耦合隔离模块并从输入端口和隔离端口输出；
因耦合隔离模块具有互异性，C1-2信号被分为C1-2-1和C1-2-3，从输入端口和隔离端口输出，两个信号的幅度相位分别为B/4，
Figure FDA0003888838640000033
和B/4，
Figure FDA0003888838640000034
C1-4信号被分为C1-4-1和C1-4-3，从输入端口和隔离端口输出，两个信号的幅度相位分别为B/4，
Figure FDA0003888838640000035
和B/4，
Figure FDA0003888838640000036
4)C1-2-1和C1-4-1在输入端口处幅度相同，相位相差180°，信号相互叠加后抵消；C1-2-3和C1-4-3在隔离端口处相位相同，可叠加进入通信滤波模块，后输入到信息解码模块；
5)若通信信号进入耦合隔离模块前伴随有功率信号，也可被通信滤波模块的带通滤波器反射进入耦合隔离模块，被重新利用。
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CN112398502A (zh) * 2020-11-09 2021-02-23 西北工业大学 一种极化偏转非敏感无线功率和信息传输系统

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