一种基于聚焦波的微波窄带无线输能方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于聚焦波的微波窄带无线输能方法及装置，属于无线输能技术。与传统的无线输能机制以及基于短脉冲的宽带TR无线输能技术不同，本发明专利技术采用近似于单频的窄带信号(带宽小于中心频率的10％)，利用TR天线阵列将电磁能量以“点聚焦”的形式送至目标点处，而在点聚焦处则通过放置全向受能天线，将空间电磁波转化为高频电流，最后通过整流电路得到直流输出，实现电磁能量的无线输送。本发明专利技术采用窄带信号进行TR无线输能，相比于短脉冲，窄带信号在单位时间内可以携带更多的能量，且整流效率更高；能够自适应地追踪目标位置，无需复杂的定位系统，还可以实现多目标的无线输能。

Microwave narrow band wireless energy transmission method and device based on focusing wave

The invention discloses a microwave narrow band wireless energy transmission method and a device based on focusing wave. Based on the TR wireless transmission mechanism and broadband short pulse can be different from traditional wireless transmission, the invention adopts narrowband signals similar to single frequency (center frequency bandwidth of less than 10%), the electromagnetic energy to \focus\ in the form sent to the target point using TR antenna array, while focusing at through the omni-directional antenna can be placed by, the space electromagnetic wave into high frequency current, the DC output obtained by rectifier circuit, realize the wireless transmission of electromagnetic energy. The invention adopts the narrowband signal TR wireless power transmission, compared to the short pulse, narrowband signals can carry more energy per unit time, and the rectifying efficiency is high; can adaptively track the target position, without the need to locate a complex system, can also realize the goal of wireless power transmission.

【技术实现步骤摘要】

本方法涉及无线输能技术，具体涉及一种基于电磁聚焦波的微波窄带无线输能方法。
技术介绍
无线输能是指不通过可见物理媒质的接触进行能量传输的技术，系统基本框架与无线通信系统相似。但是，前者着眼于能量传输，而后者着眼于信息传递。无线输能无需金属电极的直接连接，可避免导体裸露和电火花产生。相对于传统的有线输能，无线输能具有安全性高、使用便利等优点。更为重要的是，无线输能可用在一些无法架设电线的特殊场合，例如为植入人体的设备充电、为无线传感器网络充电等。这些独特的技术优势，使得无线输能在智能家居、医疗护理、交通运输、精细农业、航空航天、军事国防等领域具有极高的科研价值和广阔的应用前景。目前，基于电磁学的无线输能方式主要有电磁感应耦合技术(InductivelyCoupledPowerTransfer，ICPT)、磁共振耦合技术(MagneticResonanceCoupling，MRC)和微波能量传输技术(MicrowavePowerTransfer，MPT)。(1)ICPT技术基于电磁感应原理，通过感应线圈之间的磁耦合来传递能量，该技术的工作频率较低，一般为几十到几百kHz，具有系统结构简单、技术可靠、制造成本低等优点。此外，ICPT系统的短距离能量传输效率极高，一般在90％左右，例如，文献\DesignandOptimizationofMutualInductanceforHighEfficiencyICPTSystem(2016IEEE8thInternationalPowerElectronicsandMotionControlCoference(IPEMC-ECCEAsia).YuanchaoLiu,WeipingZhang.etc)\提出的一种基于Series-Series(SS)拓扑结构的ICPT系统，该系统在15cm的传输距离上获得了88％的能量传输效率。但是，ICPT技术并不适用于中远距离的能量传输，且对收发线圈的相对位置极为敏感，当传输距离超过线圈直径的30％(一般为10cm左右)或收发线圈没有严格对齐时，ICPT系统的能量传输效率将会显著下降。(2)MRC技术基于电磁共振原理，可以在米级范围内达到较高的传输效率，且对小范围的位置变化不敏感，增加耦合线圈个数还将进一步提高传输距离。在文献\Range-adaptivewirelesspowertransferusingmultiloopandtunablematchingtechniques(IEEE,2015,62(10):6233-6241.JungsikKinandJinhoJeong)\中，谐振频率为13.56MHz的MRC系统在收发线圈距离1米时能够获得最大的传输功率，且能量传输效率达到了48％。但是，MRC技术的系统工作频率较高，一般在MHz以上，要求高Q值的谐振结构，对电路器件的要求高。而且，该技术的能量传输仍受收发线圈相对位置的影响，存在能够传输最大功率的最佳距离，如何自适应地获得最大的传输功率是MRC技术的一大难点。(3)MPT技术基于电磁辐射原理，传输距离可至数km以上，甚至可实现太空输能。据文献\Spacesolarpowerprogramsandmicrowavewirelesspowertransmissiontechnology(IEEE,2002,3(4):46-57.MCSPADDENJOandMANKINSJC)\研究表明，当收发天线的方向性足够高时，微波能量由发射天线到接收天线的远距离传输效率可以达到81.5％。虽然极高的天线方向性能够使得微波能量集中在传输路径上、提高能量传输效率，但是会对传输路径上的人体健康产生较大的损害。而且，MPT系统还需要复杂的定位追踪系统，来保证收发天线的方向对准，硬件实施非常复杂且不灵活。近年来，出现一种基于时间反演(TimeReversal,TR)电磁波传输的新型无线输能技术(专利“一种基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统和方法：CN201010568332.1，2010.11.30”)。该专利采用基于短脉冲的宽带TR技术，为无线传感器网络节点进行充电，其优点在于可以使得电磁能量自适应地聚焦于缺电传感器节点处，无需复杂的定位系统。2016年，文献“Experimentsoftime-reversedpulsewavesforwirelesspowertransmissioninanindoorenvironment”(IEEETrans.MicrowaveTheoryandTechniques,vol.64,no.7,July2016.RonyIbrahim,etal.)实验研究了基于TR脉冲波的室内无线输能效能。但是，这些TR输能系统基本上都采用短脉冲作为试探信号，在进行TR操作时，需要高速的模数转换器，实现难度大、成本高。另外，短脉冲在单位时间内可以传输的能量少，而且短脉冲的频带较宽，导致整流效率低。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于聚焦波的微波窄带无线输能方法及装置。与传统的无线输能机制以及基于短脉冲的宽带TR无线输能技术不同，本专利技术采用近似于单频的窄带信号(带宽小于中心频率的10％)，利用TR天线阵列将电磁能量以“点聚焦”的形式送至目标点处，而在点聚焦处则通过放置全向受能天线，将空间电磁波转化为高频电流，最后通过整流电路得到直流输出，实现电磁能量的无线输送。本专利技术的基本思路为：受能天线周围围绕有N个TR天线，由这N个TR天线作为阵元构成一个“TR天线阵”。首先将受能天线作为发射天线，发射一窄带的试探信号，同时由“TR天线阵”各阵元接收相应的试探信号，并对各阵元接收的信号进行时间反演处理，得到TR信号；然后，由“TR天线阵”各阵元将相应的TR信号重新发射回去，根据时间反演的环境自适应性和空时聚焦特性，电磁波将聚焦于受能天线处，此时，受能天线作为接收天线，即可得到高频电流；最后，受能天线接收到的高频电流经过整流电路后，即可转化为直流并为负载供电。TR过程能够采集信道信息并对信道进行补偿，从而使电磁波聚焦于目标点处。当环境发生改变或目标位置移动时，只需再进行一次TR操作，重新采集信道信息，即可使电磁波仍在目标点处聚焦。因此，本专利技术采用的TR技术能够自适应地追踪目标位置，同时，环境的变动以及障碍物的存在对能量的传输几乎没有影响。并且，由于电磁波的干涉相消作用，非聚焦区域电磁能量的强度很低，电磁波对人体健康的影响较小，大大提高了能量传输的安全性。另外，TR天线只需采用普通的全向天线即可，相比于对方向性要求极高的定向天线，设计难度和制作成本大大降低。根据线性叠加原理，在线性条件下，任意空间场均可以分解为若干基本场的线性叠加，反之，也可以通过这些基本场的叠加，构建出具有任意场强分布的空间场。采用由TR技术在不同目标点处产生的聚焦场作为基本场，即可实现电磁能量的多点聚焦，进而实现对多个目标的无线输能。在此之前，时间反演在能量领域的研究大多采用短脉冲作为试探信号，而本专利技术首次采用窄带信号作为试探信号进行TR无线输能。相比于短脉冲，窄带信号在单位时间内携带的能量更多，且整流效率更高，另外，在窄带系统中，信号可以近似用相量形式表示，只需要确定信号的幅度与相位，即可还原出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于聚焦波的微波窄带无线输能方法，包括以下步骤：步骤一：使用中心频率为f0的窄带试探信号激励受能天线；步骤二：将设置于受能天线周围的N个TR天线置于接收状态，接收试探信号，并记录所有TR天线接收信号的幅度与相位；步骤三：对步骤二中各个TR天线接收的信号进行时间反演放大操作，得到N个TR信号；然后将受能天线置于接收状态，分别使用N个TR信号激励对应的TR天线，电磁能量以点聚焦的无线输能形式送至受能天线处；步骤四：位于点聚焦处的受能天线将空间电磁波转换为高频电流，最后通过整流电路得到直流的输出，为负载供电。

【技术特征摘要】
1.一种基于聚焦波的微波窄带无线输能方法，包括以下步骤：步骤一：使用中心频率为f0的窄带试探信号激励受能天线；步骤二：将设置于受能天线周围的N个TR天线置于接收状态，接收试探信号，并记录所有TR天线接收信号的幅度与相位；步骤三：对步骤二中各个TR天线接收的信号进行时间反演放大操作，得到N个TR信号；然后将受能天线置于接收状态，分别使用N个TR信号激励对应的TR天线，电磁能量以点聚焦的无线输能形式送至受能天线处；步骤四：位于点聚焦处的受能天线...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涛，赵德双，郭飞，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51