CN204165912U - 一种基于天线特性参数监测的异物检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于天线特性参数监测的异物检测系统。所述系统包括依次连接的射频信号发生器、天线状态监测模块、控制链路天线以及信号处理模块。状态监测模块包括信号放大器和信号分离器、交直流转换电路，信号放大器输入端连接有射频信号发生器，信号分离器分离出交流信号经交直流转换电路，提取到的参数信号作为信号处理模块的输入信号。信号处理模块可采用模拟信号处理电路或采用智能控制芯片控制。本实用新型通过对天线的工作特性是否变化进行监测，实现对小范围开放空间环境如高功率无线充电系统中是否进入金属或有生命物体异物进行检测判断，从而实现对应用系统的保护，并可起到对小动物等有生命体异物的保护。

Description

一种基于天线特性参数监测的异物检测系统

技术领域

本实用新型涉及异物检测技术及天线技术领域，特别涉及一种在高功率无线电能传输等小范围开放空间应用环境内，利用天线特性参数变化来判断金属或小动物等异物是否存在的异物监测系统。

背景技术

无线电能传输技术即用电设备只需通过电磁能量耦合，不需要连接电源线就可以传输电能的技术。近年来磁共振无线充电技术逐渐在高功率用电设备中得到运用，如电动汽车无线充电等，而随着供电线圈与受电线圈之间距离的增加，导致外来异物闯入无线电能传输系统的可能性增大，强烈变化的磁场会使其中的金属导体感应出涡流产生热量，严重时会损害系统设备，还会使闯入其中的小动物等的神经系统受到损伤。因此，对于诸如高功率应用环境下的无线电能传输系统，其异物检测以及以异物检测为核心的安全防护技术是无线电能传输技术应用的前提和保障。

传统的异物检测方法，包括适用于食品安全、公共场所安全检查等领域的X射线异物检测方法，适用于机场跑道异物物检测的雷达图像检测方法，以及最早应用于军用设备的金属探测方法。前面两种方法由于系统结构复杂，价格昂贵，用于无线电能传输系统中不仅会增加过多的辅助设备、提高应用成本，还会造成较大的资源浪费。工作中的天线周围同时存在着磁场与电场分布，其工作状态不仅会受到自然界中磁性介质的影响还会受到电性介质（如肌肉组织等）的影响。 因此利用天线作为感知异物的器件设计一套异物检测系统将会使系统得到较大的简化，并且缩小系统体积及节约成本。

实用新型内容

为克服现有技术中存在的缺陷与不足，本实用新型提出一种基于天线特性参数监测的异物检测系统，该系统可工作于小范围开放空间范围内，如高功率磁共振无线电能传输环境等，利用天线在正常工作时的特性参数易受异物影响的特性，实现对突然闯入的金属导体异物及小动物等有生命物体的检测，该异物检测系统组成结构简单，体积较小易于集成在应用环境中，价格成本相对低廉。

本实用新型所采用技术方案是：一种基于天线特性参数监测的异物检测系统，包括用于感知异物信号的控制链路天线和对异物信号进行分析处理的信号处理模块；以及，射频信号发生器，其通过下述天线状态监测模块连接控制链路天线，向控制链路天线输入正常工作状态所需信号；天线状态监测模块，包括与射频信号发生器连接的信号放大器，与信号放大器连接信号分离器，与信号分离器连接的交直流转换电路，所述交直流转换电路输出端连接信号处理模块；所述信号分离器另一端口连接控制链路天线。

优选的，所述控制链路天线可以是全向天线或全向天线阵。

优选的，所述信号处理模块包括信号比较电路，及与信号比较电路输出端连接的报警提示电路或电源保护开关。

优选的，所述信号处理模块包括智能控制芯片及受其控制的报警提示电路或电源保护开关 。

优选的，所述信号分离器采用环形器。

优选的，所述信号比较电路一输入端接入基准电压信号，另一输入端接入经处理后的天线反馈信号，输出端连接智能控制芯片或报警提示电路或电源保护开关。

优选的，所述信号放大器包括依次连接的输入级放大电路、驱动级放大电路、末级放大电路，所述输入级放大电路、驱动级放大电路、末级放大电路均采用一功放芯片，并为功放芯片设置偏置电路及在功放芯片之间设置级间匹配电路。

优选的，所述交直流转换电路采用二极管检波电路；所述二极管检波电路包括用于给检波二极管加入正向直流偏置电压使检波二极管处于微导通状态的直流电阻；信号分离器分离出来的反射信号作为检波电路的输入信号，经过检波二极管后转换成脉动直流，再通过与检波二极管串联的滤波电容、从检波二极管负极连接到地的滤波电容，滤除脉动直流中的谐波成分，最后通过输出电阻两端输出直流电压。

本实用新型基于电磁理论原理提出了一种基于天线特性参数监测的异物检测系统，该系统可工作于小范围开放空间范围内，如高功率磁共振无线电能传输环境，利用天线工作时的特性参数易受异物影响的特性，实现对突然闯入的金属导体异物进行检测，同时还能够对具有肌肉组织的小动物等有生命物体进行检测，保护生命，可避免诸如高功率无线电能传输环境下的安全隐患问题。

本实用新型所述异物检测系统组成结构简单，体积较小易于集成在应用环境中，价格成本相对低廉；且各个模块实现电路相对简洁、稳定，检测效果好，维修维护方便。

附图说明

图1是本实用新型基于天线特性参数监测的异物检测系统整体框架图；

 图2是本实用新型状态监测模块中的功率放大器系统框图；

 图3是本实用新型状态监测模块中的分离器环形器结构图；

 图4是本实用新型状态监测模块中的二极管检波电路图；

 图5是本实用新型监测变量直流反射电压的提取过程；

图6是本实用新型信号控制电路原理；

图7是本实用新型完整的异物检测原理示意图。

具体实施方式

为方便本领域的技术人员了解本实用新型的技术内容，下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如附图1所示，本实用新型所述的基于天线特性参数监测的异物检测系统包括射频信号发生器、天线状态监测模块、控制链路天线、信号处理模块。其中，天线状态监测模块包括与射频信号发生器连接的信号放大器，与信号放大器连接信号分离器，与信号分离器连接的交直流转换电路，交直流转换电路输出端连接信号处理模块；信号分离器另一端口连接控制链路天线。

工作时，射频信号发生器发射的小功率高频交流信号通过状态监测模块中的信号放大器放大之后，经过信号分离器传送到控制链路天线，当天线周围出现金属导体或小动物时会改变天线的工作状态，例如天线的输入阻抗特性发生改变，导致馈电端口的反射信号变化，反射信号通过信号分离器件分离出来，经过交直流转换电路之后由交流信号转换成直流信号，直流信号作为信号处理模块的输入信号，通过信号处理模块输出控制整个系统。

如附图2所示，所述的信号放大器为射频功率放大器，其主要由输入级、驱动级、末级放大电路构成。设定射频输入信号频率为945MHz，功率为0.1mW，即-10dB，可分别选用SGA6589、MHL9838及MRF9060三款芯片作为放大器的输入级、驱动级、末级功放芯片，在芯片之间加上级间匹配电路及偏置电路后构成完整的射频功率放大器，增益可达到40dB以上，可将0.1mW的信号放大到1W，然后经由控制链路天线有效的发射出去。

如附图3所示，本实用新型所述状态监测模块中的分离器可选用三端口射频环形器，环形器是一个多端口器件，其中电磁波的传输只能沿单方向环行，反方向是隔离的。本实用新型中射频信号由如图3所示的端口1进入，从端口2输出并传输到控制链路天线上，天线馈电端的反射信号由端口3分离出来，信号只能单向传输不可以反向传输。

由环形器端口3分离出来的反射信号为交流信号，交流信号不稳定不便于后续检测比较分析，因此设置了交直流转换电路。如附图4所示，可通过二极管检波电路将交流信号转换成直流。环形器分离出来的反射信号作为检波电路的输入信号U_i，经过检波二极管VD₁后转换成脉动直流，电阻R₁给检波二极管加入较小的正向直流偏置电压，使检波二极管处于微导通状态，电容C₁、C₂具有隔直通交的作用可滤除脉动直流中的谐波成分，电阻R₂上的压降就是检波电路输出的直流电压，对电阻R₂上的电压进行采样输出，就得到了需要检测的直流反射电压信号，可由示波器读出直流反射电压的具体幅度值。提取监测变量直流反射电压的全过程如附图5所示。

由环形器端口提取到并转换后的直流反射电压是一个可变化的值，若天线自身的阻抗匹配较好，则初始的直流反射电压幅度很小，当有异物靠近天线时，反射信号会突变，采样得到的直流电压也会有很大的波动。如附图6所示，利用电压比较器作为系统控制单元的核心部件，信号处理单元将上述提取到的直流反射电压作为信号处理电路的输入信号V_in，将天线周围无异物时所采到的直流反射电压记为电压比较器的基准值V _ref （即阈值），可以根据实际情况通过调节电位器R₃的阻值控制基准值V _ref 的大小，R₄上的电压即为基准电压。当比较器的输入信号V_in大于基准值V _ref 时，比较器输出一个高电平控制电源开关断开或以LED灯导通发光等方式输出提醒监控者。附图6中的R₅为过压保护电阻，防止电压过大击穿LED灯。

附图7是本实用新型实施例完整的异物检测原理示意图，具体操作如下：信号源提供一个大小为0.1mW频率为945MHz的射频信号，通过由SGA6589、MHL9838及MRF9060三款芯片构成的增益可达40dB以上的放大器（功率放大器通过直流源供电），穿过频率为930MHz~960MHz的射频环形器，由环形器的2端口输出发射到天线上（实施例中采用了室内吸顶天线作为控制链路天线），当天线周围无异物时，采集到的直流反射电压幅度值可由示波器读出来，作为控制电路中电压比较器的基准电压V_ref。当天线周围出现金属及小动物之类的异物时，采集到的直流反射电压迅速变化，并且异物离天线越近直流电压的幅度值变化越大（可由示波器观察到直流电压幅度值的变化情况），超过了控制电路设定的电压基准值V_ref后，控制模块中的比较器输出一个高电平使得电路中的LED灯导通发出亮光。LED发出亮光便说明基于天线特性参数监测的异物检测系统检测到了金属导体或小动物等异物。

本实用新型中未具体介绍的功能模块均可采用现有技术中的成熟功能模块，再此不赘述。

上述实施例仅为本实用新型的具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本实用新型的保护范围。因此本实用新型的保护范围应当以权力要求所限定范围。

Claims (8)

1.一种基于天线特性参数监测的异物检测系统，其特征在于，包括用于感知异物信号的控制链路天线和对异物信号进行分析处理的信号处理模块；以及，

射频信号发生器，其通过下述天线状态监测模块连接控制链路天线，向控制链路天线输入正常工作状态所需信号；天线状态监测模块，包括与射频信号发生器连接的信号放大器，与信号放大器连接信号分离器，与信号分离器连接的交直流转换电路；所述交直流转换电路输出端连接信号处理模块；所述信号分离器另一端口连接控制链路天线。

2.根据权利要求1所述的一种基于天线特性参数监测的异物检测系统，其特征在于：所述控制链路天线可以是全向天线或全向天线阵。

3.根据权利要求1所述的基于天线特性参数监测的异物检测系统，其特征在于：所述信号处理模块包括信号比较电路，及与信号比较电路输出端连接的报警提示电路或电源保护开关。

4. 根据权利要求1所述的基于天线特性参数监测的异物检测系统，其特征在于：所述信号处理模块包括智能控制芯片及受其控制的报警提示电路或电源保护开关 。

5.根据权利要求1所述的基于天线特性参数监测的异物检测系统，其特征在于：所述信号分离器采用环形器。

6.根据权利要求4或5所述的基于天线特性参数监测的异物检测系统，其特征在于：所述信号比较电路一输入端接入基准电压信号，另一输入端接入经处理后的天线反馈信号，输出端连接智能控制芯片或报警提示电路或电源保护开关。

7.根据权利要求1所述的基于天线特性参数监测的异物检测系统，其特征在于：所述信号放大器包括依次连接的输入级放大电路、驱动级放大电路、末级放大电路，所述输入级放大电路、驱动级放大电路、末级放大电路均采用一功放芯片，并为功放芯片设置偏置电路及在功放芯片之间设置级间匹配电路。

8.根据权利要求1所述的基于天线特性参数监测的异物检测系统，其特征在于：所述交直流转换电路采用二极管检波电路；所述二极管检波电路包括用于给检波二极管加入正向直流偏置电压使检波二极管处于微导通状态的直流电阻R1；信号分离器分离出来的反射信号作为检波电路的输入信号U_i，经过检波二极管VD₁后转换成脉动直流，再通过与检波二极管VD₁串联的滤波电容C₁、从检波二极管VD₁负极连接到地的滤波电C₂滤除脉动直流中的谐波成分，最后通过输出电阻R₂两端输出直流电压。