封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)，屬于無線電技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)通過引入寄生散射器，調(diào)整寄生散射器中可調(diào)反射負載的阻抗實現(xiàn)封閉空間內(nèi)電磁波聚焦位置可重構(gòu)，使得封閉空間內(nèi)微波能量接收器的位置不再受限于離散分布的駐波波腹點位置，在封閉空間內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化時以及微波能量接收器移動的過程中保持較高的能量傳輸效率，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)針對環(huán)境變化的自適應(yīng)調(diào)整和對移動接收器的跟蹤供電。

Microwave wireless energy reconfigurable focusing system in closed space

The invention discloses a microwave wireless energy reconfigurable focusing system in a closed space, belonging to the field of radio technology. By introducing the parasitic scattering device, realize the closed space electromagnetic wave focusing position of reconfigurable impedance adjustable reflection load regulation parasitic scattering device, so that the closed space microwave energy receiver position is no longer limited to discrete distribution of standing wave abdominal position, maintain the energy transfer efficiency is higher in the closed space environment change and the microwave energy receiver move, thus realizing the system adaptive to the environmental change and the mobile receiver tracking power supply.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)
本專利技術(shù)公開了封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)，屬于無線電

技術(shù)介紹
與開放空間的無線收發(fā)技術(shù)相比，封閉空間內(nèi)電磁波不存在輻射損耗。微波電磁波在封閉空間內(nèi)多次來回反射導(dǎo)致的多徑現(xiàn)象不利于通訊領(lǐng)域的信號傳播，但有利于無線能量的高效傳輸。對于同樣的收發(fā)機間距，封閉空間內(nèi)微波能量傳輸可能達到的效率遠高于開放空間，封閉空間內(nèi)微波能量傳輸技術(shù)可以用于為建筑物或車船內(nèi)部的手機、無線傳感器、射頻識別標簽等電子設(shè)備提供無線充電。因此采用封閉空間傳輸微波能量有可能實現(xiàn)在較遠距離上對電子設(shè)備的高效率無線供電。然而，現(xiàn)有的技術(shù)要求被供電的電子設(shè)備放置于封閉空間內(nèi)電磁駐波的波腹點附近。對于特定的微波頻率，駐波波腹點的分布取決于封閉空間的尺寸與結(jié)構(gòu)，且駐波波腹點位置固定。因此該技術(shù)要求電子設(shè)備的位置相對固定，且需要事先確定微波波腹點的位置，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的封閉空間而言，駐波波腹點的位置通常需要通過較為復(fù)雜的仿真運算或者實測確定。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的專利技術(shù)目的是針對上述
技術(shù)介紹
的不足，提供了封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)，通過在封閉空間內(nèi)無線能量傳輸系統(tǒng)中引入寄生散射器，實現(xiàn)了封閉空間內(nèi)電磁波聚焦位置的動態(tài)調(diào)整，解決了封閉空間內(nèi)微波能量接收器位置受限于離散分布的駐波波腹點位置的技術(shù)問題。本專利技術(shù)為實現(xiàn)上述專利技術(shù)目的采用如下技術(shù)方案：封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)，包括：無線能量發(fā)射器，在封閉空間內(nèi)激勵形成電磁波，至少一個寄生散射器，對無線能量發(fā)射器激勵形成的電磁波進行散射，形成幅度和相位可調(diào)的散射電磁波，及，無線能量接收器，接收無線能量發(fā)射器激勵形成的電磁波以及寄生散射器散射的幅度和相位可調(diào)的電磁波。作為封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)的進一步優(yōu)化方案，寄生散射器包括電磁波散射單元以及加載在其終端的可調(diào)反射負載，所述電磁波散射單元接收無線能量發(fā)射器激勵形成的電磁波的部分能量并將接收到的微波能量輸出至可調(diào)反射負載，可調(diào)反射負載將其接收到的微波能量調(diào)節(jié)為幅度和相位可調(diào)的反射波反射回電磁波散射單元，并通過電磁波散射單元在封閉空間內(nèi)形成幅度和相位可調(diào)的散射電磁波。再進一步的，封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)中，可調(diào)反射負載為具有開路和短路兩種狀態(tài)的PIN二極管或場效應(yīng)晶體管。再進一步的，封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)中，可調(diào)反射負載為采用變?nèi)荻O管實現(xiàn)的阻抗可調(diào)的容性負載。再進一步的，封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)中，可調(diào)反射負載為采用變?nèi)荻O管級聯(lián)阻抗變換傳輸線實現(xiàn)的阻抗可調(diào)的感性負載。再進一步的，封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)中，可調(diào)反射負載包括單刀多擲射頻開關(guān)及加載在其各端口的集總參數(shù)不同的電容電感元件。作為封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)的再進一步優(yōu)化方案，無線能量發(fā)射器包括：微波功率源，產(chǎn)生微波能量并饋電至與其連接的單元，及，電磁波激勵單元，其輸入端接微波功率源輸出端，激勵其輸入端接收的微波能量形成電磁波。作為封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)的再進一步優(yōu)化方案，無線能量接收器包括：電磁波接收單元，接收無線能量發(fā)射器激勵形成的電磁波以及寄生散射器散射的幅度和相位可調(diào)的電磁波，射頻-直流轉(zhuǎn)換單元，其輸入端接電磁波接收單元的輸出端，將接收的電磁波轉(zhuǎn)換為直流能量并輸出，及，直流能量存儲單元，其輸入端接射頻-直流轉(zhuǎn)換單元的輸出端，存儲其輸入端接收的直流能量。本專利技術(shù)采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：（1）本專利技術(shù)通過引入寄生散射器，調(diào)整寄生散射器中可調(diào)反射負載的阻抗實現(xiàn)封閉空間內(nèi)電磁波聚焦位置可重構(gòu)，使得封閉空間內(nèi)微波能量接收器的位置不再受限于離散分布的駐波波腹點位置，在封閉空間內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化時以及微波能量接收器移動的過程中保持較高的能量傳輸效率，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)針對環(huán)境變化的自適應(yīng)調(diào)整和對移動接收器的跟蹤供電；（2）相對于接收器位置受限于駐波波腹位置的封閉空間內(nèi)無線能量傳輸系統(tǒng)，本專利技術(shù)提出的系統(tǒng)免去了確定駐波波腹點位置的繁雜工作，提高電能傳輸效率。附圖說明圖1為封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)的框圖。圖2(a)為封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)實施例的立體示意圖，圖2(b)為封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)實施例的側(cè)面示意圖。圖3(a)為封閉空間內(nèi)電磁總場分布可重構(gòu)性能仿真模型，圖3(b)、圖3(c)分別為散射單元加載開路負載和短路負載時的仿真結(jié)果。圖4(a)為封閉空間內(nèi)可重構(gòu)聚焦傳輸微波能量的實驗設(shè)置示意圖；圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)為接收單元的x坐標在0.2m至0.8m范圍內(nèi)且y坐標分別為0.9m、0.8m、0.7m時，無線傳輸系統(tǒng)在散射單元有無可調(diào)反射負載情況下的能量傳輸效率對比圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對專利技術(shù)的技術(shù)方案進行詳細說明。本專利技術(shù)提出一種在封閉空間內(nèi)可重構(gòu)聚焦傳輸無線能量的方法。該方法采用一個無線能量發(fā)射器在封閉空間中激勵形成電磁駐波分布，通過調(diào)節(jié)多個寄生散射器中電磁波散射單元終端加載的可調(diào)反射負載的阻抗或開關(guān)狀態(tài)對封閉空間內(nèi)電磁總場分布進行重構(gòu)，使得電磁波聚焦于無線能量接收器所在位置，實現(xiàn)高效率的微波能量傳輸。本專利技術(shù)的封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)如圖1所示，封閉空間邊界由金屬或其它可以在特定的一個或多個頻段內(nèi)對微波電磁波產(chǎn)生全反射的材料構(gòu)成。無線能量發(fā)射器包括一個微波功率源和一個電磁波激勵單元，微波功率源用于生成無線能量發(fā)射所需的微波能量，微波功率源輸出的微波能量饋電至電磁波激勵單元的輸入端口，電磁波激勵單元將輸入的微波能量轉(zhuǎn)換為封閉空間內(nèi)的微波電磁波，部分微波能量通過該電磁波耦合傳輸至多個寄生散射器。多個寄生散射器的結(jié)構(gòu)相同，均包括一個電磁波散射單元和一個可調(diào)反射負載，可調(diào)反射負載將電磁波散射單元接收到的微波能量反射回電磁波散射單元，通過電磁波散射單元在封閉空間內(nèi)形成散射電磁波，通過調(diào)節(jié)可調(diào)反射負載的阻抗可以控制散射電磁波的幅度和相位特性。多個寄生散射器形成的散射電磁波與無線能量發(fā)射器激勵的電磁波疊加形成封閉空間內(nèi)的電磁總場。無線能量接收器包括電磁波接收單元、射頻-直流轉(zhuǎn)換單元和直流能量存儲單元，電磁波接收單元輸出其接收到的微波能量至射頻-直流轉(zhuǎn)換單元，射頻-直流轉(zhuǎn)換單元將輸入的微波能量轉(zhuǎn)換為直流輸出，該直流輸出能量存儲于直流能量存儲單元中。無線能量傳輸效率定義為無線能量接收器接收到的微波功率與無線能量發(fā)射器微波功率源輸出的微波功率的比值。無線能量傳輸效率取決于封閉空間內(nèi)部電磁總場的分布以及無線能量接收器的位置。本專利技術(shù)通過調(diào)節(jié)多個寄生散射器的可調(diào)反射負載的阻抗控制多個散射電磁波的分布特性，進而實現(xiàn)封閉空間內(nèi)電磁總場分布的重構(gòu)，通過電磁總場的重構(gòu)將微波能量聚焦于無線能量接收器所在位置，從而實現(xiàn)高效率的無線能量傳輸。無線能量傳輸開啟后，封閉空間內(nèi)環(huán)境變化以及無線能量接收器位置的移動均會使得無線能量傳輸效率發(fā)生改變。本專利技術(shù)的方案定期監(jiān)測無線能量傳輸效率，當無線能量傳輸效率低于一定閾值時（例如80%），調(diào)整多個寄生散射器中的可調(diào)反射負載的阻抗，直至無線能量傳輸效率高于所設(shè)定閾值。寄生散射器中可調(diào)反射負載的實現(xiàn)方式包括但不限于如下幾種實現(xiàn)方式：(i)通過PIN二極管或場效應(yīng)晶體管開關(guān)實現(xiàn)開路/短路負本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)，其特征在于，包括：無線能量發(fā)射器，在封閉空間內(nèi)激勵形成電磁波，至少一個寄生散射器，對無線能量發(fā)射器激勵形成的電磁波進行散射，形成幅度和相位可調(diào)的散射電磁波，及，無線能量接收器，接收無線能量發(fā)射器激勵形成的電磁波以及寄生散射器散射的幅度和相位可調(diào)的電磁波。

【技術(shù)特征摘要】
1.封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)，其特征在于，包括：無線能量發(fā)射器，在封閉空間內(nèi)激勵形成電磁波，至少一個寄生散射器，對無線能量發(fā)射器激勵形成的電磁波進行散射，形成幅度和相位可調(diào)的散射電磁波，及，無線能量接收器，接收無線能量發(fā)射器激勵形成的電磁波以及寄生散射器散射的幅度和相位可調(diào)的電磁波。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)，其特征在于，所述寄生散射器包括電磁波散射單元以及加載在其終端的可調(diào)反射負載，所述電磁波散射單元接收無線能量發(fā)射器激勵形成的電磁波的部分能量并將接收到的微波能量輸出至可調(diào)反射負載，可調(diào)反射負載將其接收到的微波能量調(diào)節(jié)為幅度和相位可調(diào)的反射波后反射回電磁波散射單元，并通過電磁波散射單元在封閉空間內(nèi)形成幅度和相位可調(diào)的散射電磁波。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)，其特征在于，所述可調(diào)反射負載為具有開路和短路兩種狀態(tài)的PIN二極管或場效應(yīng)晶體管。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述封閉空間內(nèi)微波無線能量可重構(gòu)聚焦系統(tǒng)，其特征在于，所述可調(diào)反射負載為采用變?nèi)荻O管實現(xiàn)的阻抗可...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王薪，陸明宇，陳臣，
申請(專利權(quán))人：南京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32