封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统的制作方法

本发明公开了封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统，属于无线电技术领域。

背景技术：

与开放空间的无线收发技术相比，封闭空间内电磁波不存在辐射损耗。微波电磁波在封闭空间内多次来回反射导致的多径现象不利于通讯领域的信号传播，但有利于无线能量的高效传输。对于同样的收发机间距，封闭空间内微波能量传输可能达到的效率远高于开放空间，封闭空间内微波能量传输技术可以用于为建筑物或车船内部的手机、无线传感器、射频识别标签等电子设备提供无线充电。因此采用封闭空间传输微波能量有可能实现在较远距离上对电子设备的高效率无线供电。然而，现有的技术要求被供电的电子设备放置于封闭空间内电磁驻波的波腹点附近。对于特定的微波频率，驻波波腹点的分布取决于封闭空间的尺寸与结构，且驻波波腹点位置固定。因此该技术要求电子设备的位置相对固定，且需要事先确定微波波腹点的位置，对于复杂结构的封闭空间而言，驻波波腹点的位置通常需要通过较为复杂的仿真运算或者实测确定。

技术实现要素：

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统，通过在封闭空间内无线能量传输系统中引入寄生散射器，实现了封闭空间内电磁波聚焦位置的动态调整，解决了封闭空间内微波能量接收器位置受限于离散分布的驻波波腹点位置的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统，包括：

无线能量发射器，在封闭空间内激励形成电磁波，

至少一个寄生散射器，对无线能量发射器激励形成的电磁波进行散射，形成幅度和相位可调的散射电磁波，及，

无线能量接收器，接收无线能量发射器激励形成的电磁波以及寄生散射器散射的幅度和相位可调的电磁波。

作为封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统的进一步优化方案，寄生散射器包括电磁波散射单元以及加载在其终端的可调反射负载，所述电磁波散射单元接收无线能量发射器激励形成的电磁波的部分能量并将接收到的微波能量输出至可调反射负载，可调反射负载将其接收到的微波能量调节为幅度和相位可调的反射波反射回电磁波散射单元，并通过电磁波散射单元在封闭空间内形成幅度和相位可调的散射电磁波。

再进一步的，封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统中，可调反射负载为具有开路和短路两种状态的PIN二极管或场效应晶体管。

再进一步的，封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统中，可调反射负载为采用变容二极管实现的阻抗可调的容性负载。

再进一步的，封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统中，可调反射负载为采用变容二极管级联阻抗变换传输线实现的阻抗可调的感性负载。

再进一步的，封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统中，可调反射负载包括单刀多掷射频开关及加载在其各端口的集总参数不同的电容电感元件。

作为封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统的再进一步优化方案，无线能量发射器包括：

微波功率源，产生微波能量并馈电至与其连接的单元，及，

电磁波激励单元，其输入端接微波功率源输出端，激励其输入端接收的微波能量形成电磁波。

作为封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统的再进一步优化方案，无线能量接收器包括：

电磁波接收单元，接收无线能量发射器激励形成的电磁波以及寄生散射器散射的幅度和相位可调的电磁波，

射频-直流转换单元，其输入端接电磁波接收单元的输出端，将接收的电磁波转换为直流能量并输出，及，

直流能量存储单元，其输入端接射频-直流转换单元的输出端，存储其输入端接收的直流能量。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）本发明通过引入寄生散射器，调整寄生散射器中可调反射负载的阻抗实现封闭空间内电磁波聚焦位置可重构，使得封闭空间内微波能量接收器的位置不再受限于离散分布的驻波波腹点位置，在封闭空间内环境发生变化时以及微波能量接收器移动的过程中保持较高的能量传输效率，从而实现了系统针对环境变化的自适应调整和对移动接收器的跟踪供电；

（2）相对于接收器位置受限于驻波波腹位置的封闭空间内无线能量传输系统，本发明提出的系统免去了确定驻波波腹点位置的繁杂工作，提高电能传输效率。

附图说明

图1为封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统的框图。

图2(a)为封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统实施例的立体示意图，图2(b)为封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统实施例的侧面示意图。

图3(a)为封闭空间内电磁总场分布可重构性能仿真模型，图3(b)、图3(c)分别为散射单元加载开路负载和短路负载时的仿真结果。

图4(a)为封闭空间内可重构聚焦传输微波能量的实验设置示意图；图4(b)、图4(c)、图4(d)为接收单元的x坐标在0.2 m至0.8 m范围内且y坐标分别为0.9 m、0.8 m、0.7 m时，无线传输系统在散射单元有无可调反射负载情况下的能量传输效率对比图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明提出一种在封闭空间内可重构聚焦传输无线能量的方法。该方法采用一个无线能量发射器在封闭空间中激励形成电磁驻波分布，通过调节多个寄生散射器中电磁波散射单元终端加载的可调反射负载的阻抗或开关状态对封闭空间内电磁总场分布进行重构，使得电磁波聚焦于无线能量接收器所在位置，实现高效率的微波能量传输。

本发明的封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统如图1所示，封闭空间边界由金属或其它可以在特定的一个或多个频段内对微波电磁波产生全反射的材料构成。无线能量发射器包括一个微波功率源和一个电磁波激励单元，微波功率源用于生成无线能量发射所需的微波能量，微波功率源输出的微波能量馈电至电磁波激励单元的输入端口，电磁波激励单元将输入的微波能量转换为封闭空间内的微波电磁波，部分微波能量通过该电磁波耦合传输至多个寄生散射器。多个寄生散射器的结构相同，均包括一个电磁波散射单元和一个可调反射负载，可调反射负载将电磁波散射单元接收到的微波能量反射回电磁波散射单元，通过电磁波散射单元在封闭空间内形成散射电磁波，通过调节可调反射负载的阻抗可以控制散射电磁波的幅度和相位特性。多个寄生散射器形成的散射电磁波与无线能量发射器激励的电磁波叠加形成封闭空间内的电磁总场。无线能量接收器包括电磁波接收单元、射频-直流转换单元和直流能量存储单元，电磁波接收单元输出其接收到的微波能量至射频-直流转换单元，射频-直流转换单元将输入的微波能量转换为直流输出，该直流输出能量存储于直流能量存储单元中。

无线能量传输效率定义为无线能量接收器接收到的微波功率与无线能量发射器微波功率源输出的微波功率的比值。无线能量传输效率取决于封闭空间内部电磁总场的分布以及无线能量接收器的位置。本发明通过调节多个寄生散射器的可调反射负载的阻抗控制多个散射电磁波的分布特性，进而实现封闭空间内电磁总场分布的重构，通过电磁总场的重构将微波能量聚焦于无线能量接收器所在位置，从而实现高效率的无线能量传输。

无线能量传输开启后，封闭空间内环境变化以及无线能量接收器位置的移动均会使得无线能量传输效率发生改变。本发明的方案定期监测无线能量传输效率，当无线能量传输效率低于一定阈值时（例如80%），调整多个寄生散射器中的可调反射负载的阻抗，直至无线能量传输效率高于所设定阈值。

寄生散射器中可调反射负载的实现方式包括但不限于如下几种实现方式：(i) 通过PIN二极管或场效应晶体管开关实现开路/短路负载；(ii) 采用变容二极管形成不同阻抗值的容性负载；(iii) 采用变容二极管级联阻抗变换传输线实现不同阻抗值的感性负载；(iv) 采用单刀多掷射频开关，在不同端口加载不同集总参数电容电感元件实现多个不同负载阻抗的切换。

图2为本发明封闭空间内微波无线能量可重构聚焦系统实施例示意图，图2(a)为该实施例的立体示意图，图2(b)为该实施例的侧面示意图。该实施例使用金属壁构建一个边长为1米的全封闭的立方体区域，无线能量发射器的电磁波激励单元、寄生散射器的电磁波散射单元以及无线能量接收器的电磁波接收单元均采用沿z方向放置的长为17cm的金属探针结构。无线能量发射器的微波功率源输出420MHz的微波功率。电磁波散射单元加载的可调反射负载采用射频开关实现开路/短路状态之间的切换。电磁波激励单元与散射单元位置固定，且散射单元能够强耦合电磁波激励单元发射的微波能量，电磁波接收单元位置可在一定区域内移动。通过切换可调反射负载的开路/短路状态，使得封闭空间内电磁场分布重构，选取可调反射负载的最佳状态组合即可实现无线能量传输效率的最大化。

图3为基于图2所示实施例示意图的封闭空间内电磁总场分布可重构性能仿真模型和仿真结果。该具体实施例包含一个无线能量发射器和一个寄生散射器。如图3(a)所示，无线能量发射器的电磁波激励单元位于(x = 70 cm, y = 20 cm, z = 0 cm)的位置，寄生散射器的电磁波散射单元位于(x = 70 cm, y = 30 cm, z = 0 cm) 的位置。散射单元分别加载开路和短路负载时，仿真计算区域(0 < x < 1 m, 0.5 m < y < 1 m, z = 0 cm) 内沿z方向电场幅度|Ez|的分布如图3(b)和图3(c)所示。其中，图3(b)为散射单元加载开路负载时的|Ez|场分布。图3(c)为散射单元加载短路负载时的|Ez|场分布。两种不同负载对应两种完全不同的电场强度分布，从而证明了本发明提出的通过调节寄生散射器反射负载阻抗实现封闭空间内电磁场分布可重构的可行性。

图4为基于图2所示实施例示意图的封闭空间内可重构聚焦传输微波能量实验设置和测试结果。该具体实施例中包含1个无线能量发射器、9个寄生散射器和1个无线能量接收器。无线能量发射器的电磁波激励单元位置如图4(a)中的三角形标记所示，9个寄生散射器的电磁波散射单元所在位置如图4(a)中的圆形标记所示。无线能量接收器的电磁波接收单元在区域 (0.2 < x < 0.8 m, 0.5 m < y < 1 m, z = 0 cm)内不同位置时，通过控制9个寄生散射器的可调反射负载在开路和短路两种状态之间切换，直至能量传输效率达到最大值。当接收单元位置的y坐标为0.9 m, x坐标在0.2 m至0.8 m范围内取不同值时，无线能量传输效率的最大值如图4(b)中实线所示。当接收单元位置的y坐标为0.8 m, x坐标在0.2 m至0.8 m范围内取不同值时，无线能量传输效率的最大值如图4(c)中实线所示。当接收单元位置的y坐标为0.7 m, x坐标在0.2 m至0.8 m范围内取不同值时，无线能量传输效率的最大值如图4(d)中实线所示。上述三种情况下，所有位置对应的能量传输效率均达到了75%以上。作为比较，图4(b)，图4(c)和图4(d)中均用虚线代表移除所有寄生散射器，即封闭空间内仅包含1个发射单元和1个接收单元的条件下，接收单元位于同样位置时对应的无线能量传输效率。虚线代表的结果表明，不采用本发明提出的可重构方案时，接收单元在上述不同位置接收到功率存在明显差异。例如，在x = 0.5的位置，能量传输效率小于1%。图4中实线和虚线的比较证明了本发明提出的通过调节寄生散射器反射负载阻抗实现封闭空间内电磁场分布可重构的方法能够有效提高无线能量传输效率。