[發明專利]一種基于平面時間反演鏡的變焦無線輸能系統及方法

有效

• 申請號: 202010645657.9
• 申請日: 2020-07-07
• 公開（公告）號: CN111934446B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 黃超穎;趙德雙;何紫靜
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H02J50/20
• 分類號: H02J50/20;H02J50/80;H02J50/23;H02J50/40
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 鄧黎

本發明公開了一種基于平面時間反演鏡的變焦無線輸能系統及方法,屬于輻射式無線輸能技術領域。本發明系統包括幅度檢測模塊、信息處理模塊、發射控制模塊，RF信號源、可調放大器陣列、移相器陣列、開關陣列、輸能終止模塊、平面TRM陣列、以及接收端。在對接收端輸能之前，通過判別平面TRM陣列中無線電能傳輸的高效區與低效區，決定TRM陣列單元開關的通斷，從而在接收端縱向或橫向移動過程中，對接收端進行輸能的TRM陣列范圍可變，能夠實現對接收端的變焦無線輸能。與傳統的基于時間反演的無線輸能相比，本發明能夠減小天線陣列的能量損耗，使天線波束寬度變窄，波束更加集中，進一步穩定和提高輸能效率。

技術領域

本方法屬于輻射式無線輸能技術，具體涉及一種平面時間反演鏡的變焦無線輸能系統與方法。

背景技術

無線輸能(Wireless Power Transfer，WPT)將能量從源端無線或非接觸地傳輸至負載端，可顯著提升輸電的便捷性和安全性，并能夠應用于難以架設輸電線的特殊場合，如植入式醫療設備充電、近地無人機續航以及災害區域的應急救援等，是近幾年來備受科研界和產業界關注的一個研究熱點。相比有線電能傳輸，無線電能傳輸摒棄了電源與負載間的供電線纜，能夠實現完全無線纜的電能傳輸，可顯著提升電力供應的便捷性和靈活性，應用前景廣闊，市場潛力巨大。

時間反演無線電能傳輸(Time Reversal Wireless Power Transfer，TR-WPT)是近年來發展出的一個無線電能傳輸研究新方向。與傳統WPT不同，電磁能量不再以“定向波束”，而是以空間“點聚焦波”的形式輸送至受能用戶，具有電磁安全性好、空口效率高、定位精度高等優勢，有望為各類物聯網應用場景下的無線電能傳輸難題提供解決方案。然而，在現有的TR-WPT系統中，由于傳輸距離和天線方向圖的制約，平面時間反演鏡(TimeReversal Mirror，TRM)發射陣列的一部分能量會被浪費，影響對受能端的輸能效率。信號在傳輸介質中傳播時，隨著信道距離的增大，將會有一部分能量轉化成熱能或者被傳輸介質吸收，從而造成信號幅值不斷衰減。對于天線陣而言，每個陣元到達接收端的距離不同，導致一部分陣元能夠保持較多的能量，一部分陣元損耗較多能量。此外，由于天線固有的方向圖，天線只有在主瓣范圍內輻射強度最大，輻射效率高的范圍有限。例如申請號201710142293.0的發明專利，公開了一種基于時間反演的分布式無線能量傳輸方法，利用接收端的信標天線發射電磁波信號，金屬絲線陣作為傳輸載體，運用時間反演，實現了在封閉曲折環境內的能量高效傳輸。然而，當接收端發生移動時，各種時變的電磁擾動會破壞信道互易性，導致自適應跟蹤困難，受能功率不穩定。又例如申請號為201810580750.9的發明專利，公開了一種基于聚焦波的多目標選擇性無線輸能方法及裝置，通過將TRM獲取的各個受能目標的TR回傳信號進行線性疊加，實現了對多個受能目標的選擇性無線電能傳輸。但是，該發明對多目標進行能量傳輸的過程中，功率分配不明確，會出現各目標輸能效率不穩定的問題。

發明內容

本發明提出一種基于平面時間反演鏡的變焦無線輸能(Time Reversal WirelessPower Transfer,TR-WPT)系統及方法，目的是克服現有的TR-WPT系統中，由于傳輸距離和天線方向圖的制約，導致對移動受能設備輸能時，無線輸能效率隨距離變化大、輸能功率不恒定，無法對移動受能設備進行穩定的能量傳輸的問題。

為了實現克服上述缺點，本發明的技術方案是：

一種基于平面時間反演鏡的變焦無線輸能系統，該系統包括幅度檢測模塊、信息處理模塊、發射控制模塊、RF(Radio Frequency，射頻)信號源、可調放大器陣列、移相器陣列、開關陣列、輸能終止模塊、平面TRM陣列、以及接收端。

所述接收端，通過自身天線全向發射輸能請求信號和終止信號，接收TR回傳信號。

所述平面TRM陣列包括N個發射天線單元，平面TRM陣列用于接收輸能請求信號并得到響應信號，以及發射TR(Time Reversal，時間反演)回傳信號。