CN114189267A - 基于5g基站毫米波波束赋形的隔空充电系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电系统和方法，包括：5G毫米波充电基站和5G毫米波充电终端；所述5G毫米波充电基站向5G毫米波充电终端发射毫米波充电信号进行充电；所述5G毫米波充电基站包括：基站和发射站；所述基站控制发射站同时发射通信信号和充电信号；所述5G毫米波充电终端包括：带有毫米波接收天线阵列的终端、毫米波电能转换电路、充电电路和电池；所述毫米波接收天线阵列获取多天线合并增益，同时接收通信信号和充电信号；所述毫米波电能转换电路将接收的毫米波信号转化成直流电，然后通过充电电路向电池充电。本发明利用波束赋形权重对充电信号进行赋形，提高了充电信号增益。

Description

基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电系统和方法
技术领域
本发明涉及隔空充电技术领域，具体地，涉及一种基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电系统和方法。
背景技术
现在很多智能设备的应用需要持续运行，但受到电池技术和充电技术的限制，持续工作时间极短，使得其在应用上受到了大大的制约。而现有的电能补充大多数都是采用换电池或插线充电来实现的，这样操作较为麻烦，且无法实现全自主控制。为此，出现了隔空充电的方式，解决了充电需要人工参与的问题。
隔空充电是指，充电信号发射站通过无线电电磁波能量对充电接收器进行充电，电磁波能量被接收并转换成充电电流，通过充电电路对电池充电，毫米波隔空充电就是在毫米波的频段发射充电信号。
专利文献CN113428024A(申请号：CN201710548747.4)公开了一种无人机自动隔空充电方法，通过无人机与充电桩的交互实现，充电桩内含5个相位干涉天线，其可准确确定无人机的位置，另外还包含144个个毫米波发射天线，可以远距离给无人机进行充电。然而该专利未涉及波束赋形权重，没有对充电信号进行筛选增强，无法实现本发明的技术效果。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电系统和方法。
根据本发明提供的基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电系统，包括：5G毫米波充电基站和5G毫米波充电终端；
所述5G毫米波充电基站向5G毫米波充电终端发射毫米波充电信号进行充电；
所述5G毫米波充电基站包括：基站和发射站；
所述基站控制发射站同时发射通信信号和充电信号；
所述5G毫米波充电终端包括：带有毫米波接收天线阵列的终端、毫米波电能转换电路、充电电路和电池；
所述毫米波接收天线阵列获取多天线合并增益，同时接收通信信号和充电信号；
所述毫米波电能转换电路将接收的毫米波信号转化成直流电，然后通过充电电路向电池充电。
优选的，在通信过程中，在基站通过毫米波波束赋形算法定位终端位置，计算波束赋形权重，并通过波束赋形将符合预设要求的毫米波信号发射到终端以提高通信质量。
优选的，当终端到达充电范围时保持终端和基站的通信信号链路，基站实时获取终端位置并计算波束赋形权重，在基站控制发射站发射信号前，基站把波束赋形权重传递给发射站，发射站使用波束赋形权重对充电信号进行波束赋形，使充电信号获得波束赋形增益。
优选的，在基站根据终端反馈的信号的强度判断终端是否进入充电范围，当信号强度大于阈值，则判定终端入充电范围，通知发射站发射充电信号；
终端接收充电信号，根据接收功率判断是否进入充电状态，如果接收功率超过充电阈值则持续充电，否则停止发射充电信号。
优选的，接收功率计算公式为：
Pc＝Pr*T
Pr＝Pt+Gb-PL+Ga
其中，Pc为充电功率，Pr为接收信号功率，T为转化效率，Pt为发射信号功率，Gb为波束赋形增益，PL为毫米波传输衰落，Ga为多天线合并增益。
根据本发明提供的基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电方法，执行：
步骤1：通过终端激活基站，促使基站进入待机状态；
步骤2：在基站上，根据终端反馈的通信信号的信号强度判断终端是否进入充电范围；
步骤3：在终端进入充电范围后，接收基站发射的毫米波信号进行隔空充电，并根据接收功率判断充电状态。
优选的，在通信过程中，在基站通过毫米波波束赋形算法定位终端位置，计算波束赋形权重，并通过波束赋形将符合预设要求的毫米波信号发射到终端以提高通信质量。
优选的，当终端到达充电范围时保持终端和基站的通信信号链路，基站实时获取终端位置并计算波束赋形权重，在基站控制发射站发射信号前，基站把波束赋形权重传递给发射站，发射站使用波束赋形权重对充电信号进行波束赋形，使充电信号获得波束赋形增益。
优选的，在基站根据终端反馈的信号的强度判断终端是否进入充电范围，当信号强度大于阈值，则判定终端入充电范围，通知发射站发射充电信号；
终端接收充电信号，根据接收功率判断是否进入充电状态，如果接收功率超过充电阈值则持续充电，否则停止发射充电信号。
优选的，接收功率计算公式为：
Pc＝Pr*T
Pr＝Pt+Gb-PL+Ga
其中，Pc为充电功率，Pr为接收信号功率，T为转化效率，Pt为发射信号功率，Gb为波束赋形增益，PL为毫米波传输衰落，Ga为多天线合并增益。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明设置通信频段和充电频段间隔>1MHz，保证充电信号不会对通信信号造成干扰，并保证波束赋形权重不会有较大偏差，保证通信和充电就可以同时进行；
(2)本发明的毫米波充电发射站可以利用毫米波发生器发射用于充电的充电信号，并且利用波束赋形权重对充电信号进行赋形以提高充电信号增益。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明系统结构示意图；
图2为充电状态机示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
如图1，本发明提供了一种基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电系统，该系统由5G毫米波充电基站和5G毫米波充电终端组成。5G毫米波充电基站可以向5G毫米波充电终端发射毫米波充电信号进行充电。
5G毫米波充电基站，是由支持波束赋形的5G毫米波基站(简称5G基站或基站)和毫米波充电发射站(简称发射站)组成。其中5G毫米波天线阵列≥8x8，可以同时发射通信信号和充电信号。
5G基站可以完成一般5G毫米波通信，并能向充电控制中心发送相关控制消息，例如传递波束赋形权重W。
毫米波充电发射站可以利用毫米波发生器发射用于充电的充电信号，并且利用波束赋形权重W对充电信号进行赋形以提高充电信号增益。
充电控制中心，用于接收各种充电控制指令和消息，并控制发射站发送充电信号。
5G毫米波充电终端，是由带有毫米波接收天线阵列的5G毫米波终端(简称5G终端或终端)、毫米波电能转换电路、充电电路和电池组成。其中毫米波接收天线阵列≥4x4，可获得多天线合并增益Ga，此天线阵列可以同时接收通信信号和充电信号。
毫米波电能转换电路可以将接收毫米波信号转化成直流电，然后通过充电电路向电池充电。
5G终端可以完成一般5G毫米波通信，另外，5G终端上需要安装充电控制App(简称App)，用于向充电控制中心发送相关控制指令。
在正常通信过程中，5G毫米波基站通过毫米波波束赋形算法定位5G终端位置计算波束赋形权重W，并通过波束赋形将能量更为集中的毫米波信号发射到5G终端从而获得更佳的通信质量。
当5G终端到达充电范围时，终端通过App保持5G通信信号链路，使得5G基站能实时获取5G终端位置并计算波束赋形权重W，在5G基站控制充电信号发射站开始发射信号前，基站会把波束赋形权重W传递给发射站，发射站使用W对充电信号也进行波束赋形，从而使充电信号获得波束赋形增益Gb。
终端通过App连接充电控制中心，由充电控制中心控制充电站启停充电指令。
其中充电启停算法如下：
5G基站根据终端反馈的参考信号强度RSRP判断终端是否进入充电范围，当RSRP大于阈值R说明进入充电范围，5G基站通知充电信号发射站发射充电信号，进入预充电状态，充电站发射充电信号，终端侧接收充电信号，根据接收功率判断是否进入充电状态，如果功率超过充电阈值P，持续充电，如果功率低于充电阈值P，停止充电信号发射。
充电状态机如图2所示。
充电功率计算公式：
Pc＝Pr*T
Pr＝Pt+Gb–PL+Ga
其中，PL为毫米波传输衰落，T为转化效率，Pr为接收信号功率，Pc为充电功率。
通信频段和充电频段间隔>1MHz，保证充电信号不会对通信信号造成干扰，并保证波束赋形权重不会有较大偏差，这样通信和充电就可以同时进行。
根据本发明提供的基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电方法，执行：步骤1：通过终端激活基站，促使基站进入待机状态；步骤2：在基站上，根据终端反馈的通信信号的信号强度判断终端是否进入充电范围；步骤3：在终端进入充电范围后，接收基站发射的毫米波信号进行隔空充电，并根据接收功率判断充电状态。
在通信过程中，在基站通过毫米波波束赋形算法定位终端位置，计算波束赋形权重，并通过波束赋形将符合预设要求的毫米波信号发射到终端以提高通信质量。当终端到达充电范围时保持终端和基站的通信信号链路，基站实时获取终端位置并计算波束赋形权重，在基站控制发射站发射信号前，基站把波束赋形权重传递给发射站，发射站使用波束赋形权重对充电信号进行波束赋形，使充电信号获得波束赋形增益。在基站根据终端反馈的信号的强度判断终端是否进入充电范围，当信号强度大于阈值，则判定终端入充电范围，通知发射站发射充电信号；终端接收充电信号，根据接收功率判断是否进入充电状态，如果接收功率超过充电阈值则持续充电，否则停止发射充电信号。接收功率计算公式为：
Pc＝Pr*T，Pr＝Pt+Gb-PL+Ga
其中，Pc为充电功率，Pr为接收信号功率，T为转化效率，Pt为发射信号功率，Gb为波束赋形增益，PL为毫米波传输衰落，Ga为多天线合并增益。
具体地，本发明采用Qi标准的无线充电的基本定则为：
安培定则：振荡电场产生振荡磁场；
法拉第定则：振荡磁场产生振荡电场。
当开始充电时，电力发射器PTx通过其线圈产生交变电流，从而根据法拉第定律产生交变磁场。该磁场又由电力接收器PRx内的线圈拾取并由功率转换器转换回可用于对电池充电的直流电流。
磁场的一个关键特征是它可以穿过任何非金属非铁质材料，如塑料、玻璃、水、木材和空气。电力发射器PTx和电力接收器PRx之间不需要电线和连接器，从而实现了无线充电功能。
输入电压范围为9V DC至16V DC(汽车蓄电池供电范围)；
启停功能期间，输入电压可降至6V DC电平；
接收器的额定输出功率为15W(在接收器的输出端)，并与5W接收器兼容；
系统参数，线圈参数和FOD参数可以根据终端客户的具体需求灵活的配置；
预留NFC且集成CAN功能，为产品智能化发展奠定基础。
本发明的方案包括：
1、控制回路的供电
12V汽车电池输入连接到降压转换器(MPQ4558)，其输出为5V，给LDO(MPQ8904)，MOSFET驱动器和CAN收发器供电。LDO的3.3V输出主要用于给WCT1011A和其他3.3V器件供电。通常，DC-DC在轻载条件下工作。轻载时的高效率对于此辅助降压转换器非常重要。
2、功率回路的供电
MP-A9拓扑结构的Qi规范要求通过DC电压控制来控制传输到接收端的功率。电源源头是车载12V蓄电池，再经过buck-boost获得根据需要调整的稳压直流电压(范围从1VDC至24VDC)，之后经过全桥逆变器生成加载在充电线圈上的交流。
通过数字Buck-Boost或模拟Buck-Boost芯片产生Vrail电压。
数字Buck-Boost直接由WCT1013A控制；
模拟Buck-Boost通过独立的模拟Buck-Boost芯片进行控制，WCT1013A芯片仅控制输出电压反馈。
全桥逆变器由两个MOSFET驱动器以及四个功率MOSFET组成。MOSFET驱动器由稳定的5V电压供电，可降低驱动器和MOSFET的功率损耗。全桥逆变器可以将直流的Vrail电压转换为频率125kHz、占空比50％的交流方波。在MP-A9拓扑结构的Qi规范中定义了频率范围(120kHz至130kHz)。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电系统，其特征在于，包括：5G毫米波充电基站和5G毫米波充电终端；
所述5G毫米波充电基站向5G毫米波充电终端发射毫米波充电信号进行充电；
所述5G毫米波充电基站包括：基站和发射站；
所述基站控制发射站同时发射通信信号和充电信号；
所述5G毫米波充电终端包括：带有毫米波接收天线阵列的终端、毫米波电能转换电路、充电电路和电池；
所述毫米波接收天线阵列获取多天线合并增益，同时接收通信信号和充电信号；
所述毫米波电能转换电路将接收的毫米波信号转化成直流电，然后通过充电电路向电池充电。
2.根据权利要求1所述的基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电系统，其特征在于，在通信过程中，在基站通过毫米波波束赋形算法定位终端位置，计算波束赋形权重，并通过波束赋形将符合预设要求的毫米波信号发射到终端以提高通信质量。
3.根据权利要求1所述的基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电系统，其特征在于，当终端到达充电范围时保持终端和基站的通信信号链路，基站实时获取终端位置并计算波束赋形权重，在基站控制发射站发射信号前，基站把波束赋形权重传递给发射站，发射站使用波束赋形权重对充电信号进行波束赋形，使充电信号获得波束赋形增益。
4.根据权利要求1所述的基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电系统，其特征在于，在基站根据终端反馈的信号的强度判断终端是否进入充电范围，当信号强度大于阈值，则判定终端入充电范围，通知发射站发射充电信号；
终端接收充电信号，根据接收功率判断是否进入充电状态，如果接收功率超过充电阈值则持续充电，否则停止发射充电信号。
5.根据权利要求4所述的基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电系统，其特征在于，接收功率计算公式为：
Pc＝Pr*T
Pr＝Pt+Gb-PL+Ga
其中，Pc为充电功率，Pr为接收信号功率，T为转化效率，Pt为发射信号功率，Gb为波束赋形增益，PL为毫米波传输衰落，Ga为多天线合并增益。
6.一种基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电系统，执行：
步骤1：通过终端激活基站，促使基站进入待机状态；
步骤2：在基站上，根据终端反馈的通信信号的信号强度判断终端是否进入充电范围；
步骤3：在终端进入充电范围后，接收基站发射的毫米波信号进行隔空充电，并根据接收功率判断充电状态。
7.根据权利要求6所述的基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电方法，其特征在于，在通信过程中，在基站通过毫米波波束赋形算法定位终端位置，计算波束赋形权重，并通过波束赋形将符合预设要求的毫米波信号发射到终端以提高通信质量。
8.根据权利要求6所述的基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电方法，其特征在于，当终端到达充电范围时保持终端和基站的通信信号链路，基站实时获取终端位置并计算波束赋形权重，在基站控制发射站发射信号前，基站把波束赋形权重传递给发射站，发射站使用波束赋形权重对充电信号进行波束赋形，使充电信号获得波束赋形增益。
9.根据权利要求6所述的基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电方法，其特征在于，在基站根据终端反馈的信号的强度判断终端是否进入充电范围，当信号强度大于阈值，则判定终端入充电范围，通知发射站发射充电信号；
终端接收充电信号，根据接收功率判断是否进入充电状态，如果接收功率超过充电阈值则持续充电，否则停止发射充电信号。
10.根据权利要求9所述的基于5G基站毫米波波束赋形的隔空充电系统，其特征在于，接收功率计算公式为：
Pc＝Pr*T
Pr＝Pt+Gb-PL+Ga
其中，Pc为充电功率，Pr为接收信号功率，T为转化效率，Pt为发射信号功率，Gb为波束赋形增益，PL为毫米波传输衰落，Ga为多天线合并增益。
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