[發明專利]一種稀疏化無線輸能TRM設計方法和結構

有效

• 申請號: 201910572451.5
• 申請日: 2019-06-27
• 公開（公告）號: CN110309583B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 包金龍;趙德雙;王秉中
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 張冉

本發明公開了一種稀疏化無線輸能時間反演鏡設計方法和結構，屬于電磁波無線能量傳輸技術領域。本發明所述方法包括以下步驟：設置離散化的受能區域以及由基本單元組成的密集單元TRM，確定輸能指標；基于密集單元TRM的信道參數，確定最優的有源單元位置、數目以及增益補償因子，滿足旁瓣閾值指標；根據選定有源單元的特性，設計出稀疏化的有源單元TRM，滿足效率閾值指標。利用本發明所述方法得到的稀疏化TRM的結構特征為：有源單元的口徑大小為基本單元的整數倍，可以方便地通過基本單元組陣來實現。本發明可以解決無線輸能TRM有源單元數目過多，饋電復雜，系統成本高的難題，在滿足預期的輸能指標的同時，實現多種環境中TRM的稀疏設計。

技術領域

本發明屬于電磁波無線能量傳輸技術領域，具體涉及一種稀疏化無線輸能時間反演鏡(Time Reversal Mirror，TRM)設計方法和結構。

背景技術

無線輸能(Wireless Power Transfer，WPT)是指將能量以無線的方式從電源端傳輸到負載端。相比于傳統的有線能量傳輸方式，WPT無需輸電線纜，便捷好、靈活性強，應用需求迫切，前景十分廣闊。針對WPT的研究也備受科學界和產業界的關注。目前的存在的WPT技術有磁感應技術，磁耦合諧振技術，微波無線輸能技術等。針對各種技術的特點，現已在各種適用場景中逐步得到應用。

其中，結合了時間反演(Time Reversal，TR)技術和微波無線輸能技術的時間反演無線輸能(Time Reversal Wireless Power Transfer，TR-WPT)技術具有：1)中遠距離能量傳輸能力；2)較高的輸能安全性；3)復雜環境下可以非視距輸能；4)多目標并行輸能等的優勢。這些優勢使得TR-WPT適用于中遠距離安全高效的多用戶輸能場景，并成為最具有應用前景的WPT技術之一。

TRM是實現TR-WPT系統的關鍵部件，決定了無線輸能性能的優劣。為了實現高效精準的無線輸能，通常要求TRM具備大量的有源單元。一般來說，每個有源單元包含天線和有源饋電支路，其中有源饋電支路包含放大器、移相器等。大量的有源支路會增加的饋電復雜度以及成本，降低整個系統的便捷性。因此如何在滿足指定的輸能指標(旁瓣閾值以及效率閾值)的同時，設計稀疏化有源單元的TRM是時間反演無線輸能系統的一個研究挑戰。

稀疏化TRM的設計即為稀疏化有源單元的設計，屬于天線陣列稀疏以及天線設計領域。文獻“Design of unequally spaced arrays for performance improvement”指出，可以將稀疏陣列分為有陣元間距、陣列孔徑等約束的稀布陣以及均勻柵格上的非均勻稀疏陣。針對有陣元數約束、最小陣元間距約束的稀布陣列設計難題，文獻“平面稀布天線陣列的優化算法”，以降低稀布陣的旁瓣電平為目標，提出一種改進的實數遺傳算法，在指定的約束條件下有效地稀疏了陣元，并獲得了較好的旁瓣性能。然而該方法主要針對自由空間輻射遠場分布進行優化，無法適用于近場或者散射環境下的場分布設計。同時，陣元位置的非均勻性使得問題的求解變得非常復雜。

通常為了規避布陣問題的高度非線性，可以將稀疏陣列置于均勻柵格，此時陣元間距為基本量的整數倍，這就避免了非線性單元間距的產生。文獻“運用遺傳算法綜合稀疏陣列”，以單元間距和單元激勵作為優化變量，運用遺傳算法從規則柵格中挑選稀疏陣元，綜合出了低副瓣的稀疏陣列。但是，直接稀疏化陣列單元意味著增益的降低，這對要求一定傳輸效率的無線輸能來說不太適用。

綜上，目前的陣列稀疏技術，在直接用于無線輸能TRM的設計時存在一些缺陷。具體表現為：首先，優化目標僅限于線陣或者面陣的遠場分布，無法適用于近場或者散射環境等復雜輸能場景中的場分布設計；其次，稀疏陣列一般只考慮旁瓣抑制程度，而并不關心增益的降低，因而無法滿足指定的輸能效率要求；最后，該技術通常采用固定結構單元作為稀疏前后的基本單元，這限制了稀疏陣列在結構上的靈活性。

發明內容

本發明的目的是克服上述現有技術的缺陷，提供一種稀疏化無線輸能TRM設計方法和結構。