CN115912678A - 一种移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统，其特征在于，所述接收系统包括接收天线阵列(1)、二维转台子系统(2)、信号处理子系统(3)、无线数传模块(4)和移动万向轮(5)，所述信号处理子系统(3)和无线数传模块(4)安装于接收天线阵列(1)背面，所述移动万向轮(5)安装于二维转台子系统(2)底部，所述接收天线阵列(1)与二维转台子系统(2)活动连接并通信连接，所述信号处理子系统(3)分别与二维转台子系统(2)和无线数传模块(4)通信连接。本发明解决了传统无线能量接收系统天线阵面方向难以自由调节、能量接收系统无法便捷移动以及能量接收系统工作频率窄的问题。

Description

一种移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统及方法

技术领域

本发明属于微波传输领域，特别是涉及一种移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统及方法。

背景技术

无线输电的提出最早要追溯到1889年尼古拉·特斯拉，他于1901年率先开展了“跨太平洋无线电广播和输电”等相关实验。而远距离、大功率、高效无线能量传输被中国科协列为十项引领未来的科学技术之一，是多种特殊场景供能的重要手段，将引领能源及交叉学科的发展。而在远距离、大功率要求下，微波式无线输能所具有巨大的潜力被不断发掘，微波式无线传输技术应用越来越被各行各业所接受，并在各领域得到广泛使用。微波式无线传输系统由微波发射子系统和微波接收子系统组成，能量的无线传输需要两者紧密配合工作，传统的无线输电在一些特殊区域(如孤岛、偏远山区、灾区、高空等)应用受阻，而微波式远距离无线传能可突破地理环境条件的局限，提供快速应急供电，确保一些关键负荷的不间断运行，还能达到挽救生命、稳定局势的作用。但是在紧急条件下，需要快速搭建微波无线供能系统给特定区域供能，而往往在远距离无线供能系统中，为提高无线供能效率，需要微波能量发射端与接收端对准，这便大大提高了微波无线供能系统的搭建难度。

目前微波无线供能系统的微波无线能量接收子系统都是采用固定式支架布阵组成，此种无线能量接收子系统一旦加工完成，便只能通过人工调节接收阵面方向，方向调节难度大；对于较大的无线能量接收子系统无法进行位置的移动；同时，目前大多数能量接收系统工作在很窄的工作频段，这大大限制了微波能量接收系统的通用性。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统及方法解决了传统无线能量接收系统天线阵面方向难以自由调节、能量接收系统无法便捷移动以及能量接收系统工作频率窄的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统，其特征在于，所述接收系统包括接收天线阵列、二维转台子系统、信号处理子系统、无线数传模块和移动万向轮，所述信号处理子系统和无线数传模块安装于接收天线阵列背面，所述移动万向轮安装于二维转台子系统底部，所述接收天线阵列与二维转台子系统活动连接并通信连接，所述信号处理子系统分别与二维转台子系统和无线数传模块通信连接。

上述方案的有益效果是：通过上述技术方案，实现了一套能自由移动、接收天线阵面能够全向性自由调节且工作频率宽覆盖的微波无线能量接收系统。

进一步地，二维转台子系统包括伺服控制器、伺服驱动器、仰俯编码器、仰俯电机、方位编码器和方位电机，所述伺服控制器及驱动器分别与信号处理系统、仰俯编码器、仰俯电机、方位编码器及方位电机连接，所述仰俯电机还与仰俯编码器和接收天线阵列连接，所述方位电机还与方位编码器和接收天线阵列连接。

上述进一步方案的有益效果是：二维转台通过俯仰电机与方位电机来控制天线阵面的俯仰角与方位，实现对接收天线阵面朝向的全向调节，让接收天线能更便捷的与发射天线对准。

进一步地，接收天线阵列采用脊喇叭形式天线，天线框架由型材焊接，形成行架结构。

上述进一步方案的有益效果是：在设计接收天线阵列的方面，重点考虑工作频率的宽覆盖，同时考虑天线自身效率需要高，本发明采用脊喇叭形式天线，天线框架由型材焊接而成，形成行架结构，强度高，不易变形。

进一步地，二维转台子系统采用A-E双框架结构形式调节接收天线阵列方位和仰俯转动。

上述进一步方案的有益效果是：系统采用A-E双框架结构形式，实现方位转动范围360°连续旋转，俯仰转动范围为0-90°度，实现接收阵列天线朝向的全向性调节。

进一步地，二维转台子系统还包括便携式手操杆、阵面支撑杆、底座支撑面、转台和转台连接处，所述转台连接处固定于转台外壁，所述便携式手操杆与转台顶部活动连接，所述阵面支撑杆固定连接在接收天线阵列和便携式手操杆之间，所述底座支撑面安装于转台底部。

上述进一步方案的有益效果是：二维转台由两段组装而成，转台连接处用于连接两段转台；便捷式手操杆用作手动操作天线阵面的朝向，实现手动调节；阵面支撑杆选用三角支撑，能够更稳定的支撑阵面；底部支撑面上方与二维转台相连，下方与四个万向轮相连，达到更好的承受力量。

进一步地，无线数传模块采用收发一体的自组网无线传输模块，采用ISM频段工作频率。

上述进一步方案的有益效果是：无线数传模块主要实现能量接收系统与远程站点之间的数据协议转发功能，让能量接收系统与远程站点建立应答关系，使接收阵列天线的朝向信息实时传送到远程站点，让发射端与接收天线更易对准。

进一步地，信号处理子系统采用FPGA处理器。

上述进一步方案的有益效果是：信号处理子系统对阵面方位、角度通过传感器进行采集，同时对远程和本地控制进行命令解析及转发功能，FPGA处理器将接收到的指令通过与二维转台子系统连接的RS422接口发送给二维转台子系统，实现了命令的转发功能。

除此之外，本发明还采用的技术方案为：一种移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收方法，其特征在于，所述接收方法包括以下步骤：

S1：通过无线数传模块接收发射端的信号，并将天线阵列位置和阵面朝向信息转发至信号处理子系统；

S2：通过信号处理子系统采集天线阵列位置和阵面朝向信息，并对信息进行解析后转发至二维转台子系统；

S3：通过二维转台子系统接收信息并对其进行编码，并驱动电机控制接收天线阵列的仰俯转动和方位转动。

上述方案的有益效果是：通过上述技术方案，实现微波无线能量接收系统对远程发射点信息的接收，在整个接收过程中，系统接收天线阵面能够实现全方位的旋转，整个接收系统能够便捷移动且接收系统工作在宽频段中，在不同规格的发射情况下能够照常使用，提高了系统的适配性和通用性。

进一步地，S1中无线数传模块采用半双工通信方式。

上述进一步方案的有益效果是：半双工通信实现信息的双向传递，使能量接收系统与远程站点之间进行数据协议的转发和应答，无线数传模块将接收到的信息传送到接收天线阵列，而接收天线阵列的朝向信息也会实时传送至远程站点。

附图说明

图1为移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统结构图。

图2为天线单元工作频率在2.4-4GHz的电压驻波比曲线。

图3为天线单元工作频率在4-6GHz的电压驻波比曲线。

图4为天线单元工作频率在6-11GHz的电压驻波比曲线。

图5为移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收方法流程图。

图6为移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统整体设计框图。

其中：1、接收天线阵列；2、二维转台子系统；3、信号处理子系统；4、无线数传模块；5、移动万向轮；6、转台连接处；7、便携式手操杆；8、阵面支撑杆；9、底座支撑面；10、转台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1，如图1所示，一种移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统，包括接收天线阵列1、二维转台子系统2、信号处理子系统3、无线数传模块4和移动万向轮5，所述信号处理子系统3和无线数传模块4安装于接收天线阵列1背面，所述移动万向轮5安装于二维转台子系统2底部，所述接收天线阵列1与二维转台子系统2活动连接并通信连接，所述信号处理子系统3分别与二维转台子系统2和无线数传模块4通信连接。

二维转台子系统2包括伺服控制器、伺服驱动器、仰俯编码器、仰俯电机、方位编码器和方位电机，所述伺服控制器及驱动器分别与信号处理系统3、仰俯编码器、仰俯电机、方位编码器及方位电机连接，所述仰俯电机还与仰俯编码器和接收天线阵列1连接，所述方位电机还与方位编码器和接收天线阵列1连接，二维转台子系统2采用A-E双框架结构形式调节接收天线阵列1方位和仰俯转动，方位转动范围360°连续旋转，俯仰转动范围为0-90°度，实现接收天线阵列1朝向的全向性调节，其天线单元采用拼接安装方式，俯仰采用U型结构，并通过配重块来平衡天线偏转力矩，减小天线转动时偏转力矩对天线稳定性的影响，方位采用方位回转盘，有效地防止了天线面的翻转对方们机构的损坏，在其内部方位转动驱动电机模组采用伺服电机，精准控制转动角度，内齿回转支承轴承，选用同挖掘机回转轴承，质量稳定可靠。二维转台子系统2还包括便携式手操杆7、阵面支撑杆8、底座支撑面9、转台10和转台连接处6，所述转台连接处6固定于转台10外壁，所述便携式手操杆7与转台10顶部活动连接，所述阵面支撑杆8固定连接在接收天线阵列1和便携式手操杆7之间，所述底座支撑面9安装于转台10底部。

接收天线阵列1采用脊喇叭形式天线，天线框架由型材焊接，形成行架结构。本发明采用脊喇叭形式天线，单个天线口径50mm*110mm，长度110mm，采用SNA-K接头。本实施例中将天线单元进行100*100布阵，整个天线阵面又可分为10*10天线方阵组成，天线小方阵又由10*10天线单元组成，每个小方阵固定在天线框架上，便于安装与拆卸。本发明天线单元能实现2.4～11GHz的超宽工作频率覆盖，天线的测试结果如下图2、图3和图4所示，在2.4～11GHz的工作频率下，电压驻波比都在2以下，展现出了该天线在2.4～11GHz下的优良传能性能。

无线数传模块4采用收发一体的自组网无线传输模块，该模块采用JZX894无线传输模块，采用ISM频段工作频率。在本实施例中，设置8个通信频道，发射功率为2W(33dB)，高接收灵敏度-122dbm，为了保证用户系统的可靠和稳定，在传输时加校验和或者CRC校验检错模式，对错误资料重发。模块收发缓冲区达512bytes，意味着用户在任何状态下都可以1次传512bytes的数据，当设置为空中速大于串口速率时，理论上是可以发送无限长的资料包，但不建议用户发送太长的资料包，建议每包资料长度在60-100B之间，一般不长于120B，最远传输距离2-5km。

信号处理子系统3采用FPGA处理器。信号处理子系统3作为本系统的核心控制单元，不仅需要对阵面方位、角度通过传感器进行ADC采集，还要作为中心控制单元，对远程和本地控制进行命令解析及转发功能。该信号处理子系统3通信过程如下所述：当远程站点(发射端)需要请求信号处理子系统3的数据时，会发送一帧数据查询指令，该指令通过无线数传模块4接收下来以后，转换为RS422串口通信协议传输给信号处理子系统3，信号处理子系统3经过电平转换为UART形式的串口协议传输给FPGA进行命令解析。FPGA处理器经过指令帧格式判别以后，判断出该指令为查询数据的指令，FPGA将采集和处理的AD数据进行装帧打包，原路回传上去。实现了数据链路的回传功能。当远程监控(发射)端需要对二维转台子系统2进行控制时，会发送一帧控制指令，该指令通过无线数传模块4接收下来以后，转换为RS422串口通信协议传输给信号处理子系统3，信号处理子系统3经过电平转换为UART形式的串口协议传输给FPGA进行命令解析。FPGA处理器经过指令帧格式判别以后，判断出该指令为二维转台子系统2的控制指令，FPGA处理器将该条指令通过与二维转台子系统2连接的RS422接口发送给二维转台子系统2，实现了命令的转发功能。

实施例2，如图5所示，一种移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收方法，包括以下步骤：

S1：通过无线数传模块接收发射端的信号，并将天线阵列位置和阵面朝向信息转发至信号处理子系统；

S2：通过信号处理子系统采集天线阵列位置和阵面朝向信息，并对信息进行解析后转发至二维转台子系统；

S3：通过二维转台子系统接收信息并对其进行编码，并驱动电机控制接收天线阵列的仰俯转动和方位转动。

S1中无线数传模块采用半双工通信方式。

在本发明的一个实施例中，如图6所示，无线数传模块将接收到的发射端的信号传输至信息处理子系统，信息处理子系统采集信息并对其进行编码，经处理后的信号传输至二维转台子系统中的伺服控制器及驱动器，进而驱动电机执行相应的仰俯转动和方位转动，从而控制接受天线阵列实现全向转动，同时接收阵列天线的朝向信息会经无线数传模块实时传送到远程站点，让发射端与接收天线更易对准。

本发明所提出的移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统及方法中，微波无线能量接收系统采用脊喇叭形式天线，该天线单元能实现2.4～11GHz的超宽工作频率覆盖，天线在2.4～11GHz下都具备优良的传能性能，提高了微波无线能量接收系统的通用性；微波无线能量接收系统采用二维转台子系统，通过二维转台连接天线阵面，二维转台实现天线阵面的全向性自由调节，使微波无线能量接收系统更好的与微波发射装置搭配使用；微波无线能量接收系统在底部安装移动万向轮，极大的提高了微波无线能量接收系统的移动性能，使微波无线能量接收系统的位置调整更灵动；微波无线能量接收系统集成化、模块化效果大大提高，一套系统各部分紧密嵌套连接在一起，有利于系统的实际工程使用。

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发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统，其特征在于，所述接收系统包括接收天线阵列(1)、二维转台子系统(2)、信号处理子系统(3)、无线数传模块(4)和移动万向轮(5)，所述信号处理子系统(3)和无线数传模块(4)安装于接收天线阵列(1)背面，所述移动万向轮(5)安装于二维转台子系统(2)底部，所述接收天线阵列(1)与二维转台子系统(2)活动连接并通信连接，所述信号处理子系统(3)分别与二维转台子系统(2)和无线数传模块(4)通信连接。

2.根据权利要求1所述的移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统，其特征在于，所述二维转台子系统(2)包括伺服控制器、伺服驱动器、仰俯编码器、仰俯电机、方位编码器和方位电机，所述伺服控制器及驱动器分别与信号处理子系统(3)、仰俯编码器、仰俯电机、方位编码器及方位电机连接，所述仰俯电机还与仰俯编码器和接收天线阵列(1)连接，所述方位电机还与方位编码器和接收天线阵列(1)连接。

3.根据权利要求1所述的移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统，其特征在于，所述接收天线阵列(1)采用脊喇叭形式天线，天线框架由型材焊接，形成行架结构。

4.根据权利要求1所述的移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统，其特征在于，所述二维转台子系统(2)采用A-E双框架结构形式调节接收天线阵列(1)方位和仰俯转动。

5.根据权利要求2所述的移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统，其特征在于，所述二维转台子系统(2)还包括便携式手操杆(7)、阵面支撑杆(8)、底座支撑面(9)、转台(10)和转台连接处(6)，所述转台连接处(6)固定于转台(10)外壁，所述便携式手操杆(7)与转台(10)顶部活动连接，所述阵面支撑杆(8)固定连接在接收天线阵列(1)和便携式手操杆(7)之间，所述底座支撑面(9)安装于转台(10)底部。

6.根据权利要求1所述的移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统，其特征在于，所述无线数传模块(4)采用收发一体的自组网无线传输模块，采用ISM频段工作频率。

7.根据权利要求1所述的移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收系统，其特征在于，所述信号处理子系统(3)采用FPGA处理器。

8.一种移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收方法，其特征在于，所述接收方法包括以下步骤：

S1：通过无线数传模块接收发射端的信号，并将天线阵列位置和阵面朝向信息转发至信号处理子系统；

S2：通过信号处理系子统采集天线阵列位置和阵面朝向信息，并对信息进行解析后转发至二维转台子系统；

S3：通过二维转台子系统接收信息并对其进行编码，并驱动电机控制接收天线阵列的仰俯转动和方位转动。

9.根据权利要求8所述的移动式全向性宽覆盖微波无线能量接收方法，其特征在于，所述S1中无线数传模块采用半双工通信方式。

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