一种能量与相位调制信息集成接收机及接收方法与流程

本发明涉及一种能量与相位调制信息集成接收机及接收方法，属于微波无线能量传输和无线通信技术相结合技术领域，特别是一种高能效能量与相位调制信息集成接收机，通过利用输出滤波器的设计满足将直流电能直接馈入能量管理单元，同时将保留的基波信号经隔直电容馈入信息接收模块，进行解调和处理。

背景技术

微波无线能量与信息协同传输系统将能量和信息调制在同一载波上，由同一无线传输链路进行发射和接收。在发射端，基带信息经编码后调制在中频上，然后经过上变频达到微波频段。携带信息的微波信号经末级功放形成高功率，同时携带了能量，馈入发射天线向外辐射。在接收端，接收天线收集微波信号，然后用功分器或开关对该信号进行分配，一部分馈入整流电路，由后者整流输出直流功率；另一部分馈入信息接收模块，经下变频到中频，然后进行解调、解码，得到基带信息。信息接收模块工作所需的电能完全由整流电路提供。微波无线能量与信息协同传输系统由一对收发天线形成统一的无线传输链路，可以支撑空间飞行器舱内无线传感器网络、在轨服务机器人等航天应用。

在上述微波无线能量与信息协同传输系统中，能量与信息的接收机采用了分离形式，原理清晰，技术可行。基于功分器的方案通过功率分配器实现能量接收和信息接收的分离，但是功分器的引入必然带来插入损耗，微波能量在整流之前就损失了，这就使得微波能量传输的整体效率下降。例如，一种5.8ghz同轴功率分配器的插损约为0.5db，微波能量传输整体效率下降约11％。另一方面，功率分配器必然在接收端占用一定的体积和重量，它的存在对系统的小型化和轻量化是一个障碍。基于开关的方案通过时域分配实现能量接收和信息接收的分离，射频开关同样存在插损、体积、重量等问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种能量与相位调制信息集成接收机及接收方法。

本发明的技术解决方案是：

一种能量与相位调制信息集成接收机，该接收机包括能量接收模块、信息接收模块和隔直电容；

所述的能量接收模块包括整流电路、能量管理单元和电池；

所述的整流电路包括输入滤波器、阻抗匹配单元、整流器件和输出滤波器；

所述的信息接收模块包括变频器、中频放大器、解调器和基带处理单元；

所述的能量接收模块用于将微波信号的能量转换为直流能量，并经处理后进行存储，存储时存储在电池中；

所述的信息接收模块用于将微波信号的信息进行处理后，输出基带信号；

所述的隔直电容用于防止能量接收模块输出的直流能量进入到信息接收模块中；

所述的整流电路用于将微波信号的能量转换为直流能量；

所述的输入滤波器为低通滤波器，输入滤波器用于接收微波信号，并对接收到的微波信号进行低通滤波，输出基波信号给阻抗匹配单元；其目的是保证基波信号传输给阻抗匹配单元的过程中为低损传输过程，且能够阻隔整流产生的高次谐波向外传输；

所述的阻抗匹配单元用于接收输入滤波器输出的基波信号，并将接收到的基波信号无反射的输出到整流器件中；

所述的整流器件用于接收阻抗匹配单元输出的基波信号，并对接收到的一部分基波信号的能量形式进行转换为直流能量，并产生高次谐波分量，并将转换的直流能量和产生的高次谐波分量输出给输出滤波器，整流器件将剩余部分的基波信号直接传输给输出滤波器；

所述的输出滤波器为直通滤波器，用于接收整流器件输出的直流能量、高次谐波分量和基波信号；输出滤波器将接收到的直流能量直接馈入到能量管理单元；输出滤波器将接收到的高次谐波分量进行反射，将高次谐波分量限制在输入滤波器和输出滤波器之间，使高次谐波分量不发生泄露；输出滤波器将接收到的基波信号输出给隔直电容；

所述的能量管理单元用于接收输出滤波器输出的直流能量，并对接收到的直流能量进行电压调整后输出给电池，用于对电池进行充电；

所述的电池用于接收能量管理单元输出的直流能量，并对接收到的直流能量进行存储，并给信息接收模块提供电源；

所述的隔直电容用于接收输出滤波器输出的基波信号，并将接收到的基波信号传输给变频器，隔直电容还用于阻止输出滤波器输出的直流能量进入到变频器；

所述的变频器用于接收隔直电容输出的基波信号，并对接收到的基波信号进行下变频处理，输出中频信号给中频放大器；

所述的中频放大器用于接收变频器输出的中频信号，并对接收到的中频信号进行放大处理，输出放大后的中频信号给解调器；

所述的解调器用于接收中频放大器输出的放大后的中频信号，并对接收到的放大后的中频信号进行解调处理，输出基带信号给基带处理单元；

所述的基带处理单元用于接收解调器输出的基带信号，并对接收到的基带信号进行处理，输出原始信息用于通讯。

输出滤波器为直通滤波器，直流信号无损传输通过，对c频段5.8ghz的基波信号具备设计要求的s21参数，对11.6ghz的二次谐波信号s21参数低于-30db，该输出滤波器包括两段传输线、微带枝节、扇形枝节和微带十字连接结构，两段传输线分别为传输线a和传输线b；

传输线a长为8.51mm，宽为1.09mm；传输线b长为9.41mm，宽为1.09mm；微带十字连接结构的左臂、上臂、右臂和下臂四个臂的宽分别为1.09mm、3.13mm、1.09mm、0.69mm；微带枝节的长为4.12mm，宽为0.69mm；扇形枝节的半径为5.91mm，角度为149.47°，输入线宽为3.13mm。

一种能量与相位调制信息集成接收方法，该方法的步骤包括：

(1)携带能量和信息的微波信号输入到输入滤波器，输入滤波器接收到微波信号后对接收到的微波信号进行低通滤波，输出的基波信号低损耗地传输给阻抗匹配单元，同时阻隔整流产生的高次谐波向外传输；

(2)阻抗匹配单元将接收到的基波信号无反射的输出到整流器件中；

(3)整流器件接收到基波信号后将接收到的基波信号的一部分能量转换为直流能量，同时产生高次谐波分量，并将转换的直流能量和产生的高次谐波分量输出给输出滤波器，整流器件将剩余部分的基波信号直接传输给输出滤波器；

(4)输出滤波器将接收到的整流器件输出的直流能量直接馈入到能量管理单元，输出滤波器将接收到的高次谐波分量进行反射，输出滤波器将高次谐波分量限制在输入滤波器和输出滤波器之间，输出滤波器将接收到的基波信号输出给隔直电容；

(5)能量管理单元接收到输出滤波器输出的直流能量后对接收到的直流能量进行电压调整后输出给电池，对电池进行充电；

(6)电池接收到能量管理单元输出的直流能量后对接收到的直流能量进行存储，并给信息接收模块提供电源；

(7)隔直电容接收到输出滤波器输出的基波信号后，将接收到的基波信号传输给变频器，隔直电容阻止输出滤波器输出的直流能量进入到变频器；

(8)变频器接收到隔直电容输出的基波信号后对接收到的基波信号进行下变频处理，输出中频信号给中频放大器；

(9)中频放大器接收到变频器输出的中频信号后对接收到的中频信号进行放大处理，输出放大后的中频信号给解调器；

(10)解调器接收到中频放大器输出的放大后的中频信号后对接收到的放大后的中频信号进行解调处理，输出基带信号给基带处理单元；

(11)基带处理单元接收到解调器输出的基带信号后对接收到的基带信号进行处理，输出原始信息用于通讯。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的能量与相位调制信息集成接收机与现有技术相比，能量效率大大提高。以c频段能量与相位调制信息集成接收机为例，同样在17dbm输入条件下，对于常规能量与信息集成接收机，微波功率分配器的插损假设为0.5db，则能量损失约为10.8％，则经过功分器后微波信号功率电平为44.7mw。这些功率几乎全部馈入整流电路，按整流效率73.4％计，则获得的直流功率约为32.8mw。假设c频段低噪声放大器的直流功耗约为20mw，占微波整流电路输出直流功率的60.9％，只有剩余的12.8mw直流电能可供信息接收模块其他环节适用。采用本发明的能量与信息集成接收机一方面省掉了功分器，从而避免了10.8％的能量损失，几乎17dbm的总输入都用于整流，获得的直流功率为36.8mw。另一方面提高了馈入信息接收模块的功率电平，省掉了低噪声放大器。前者微波功率电平提高到-15dbm，与17dbm的总馈入功率相比微不足道。但原本低噪声放大器消耗的电能完全可以避免，整流电路输出的约36.8mw直流电能可全部供信息接收模块其他环节使用，比常规能量与信息集成接收机提高了187.5％，大大提升了能量效率；

(2)本发明的能量与相位调制信息集成接收机与现有技术相比，在能量接收模块和信息接收模块之间避免了射频功率分配或切换开关，同时重新设计的整流电路输出滤波器与原滤波器相比体积并不增大；在信息接收模块内，因为整流电路输出滤波器的性能可以满足信息接收模块的门限电平，避免了采用低噪声放大器。所以，用本发明实现的能量与信息集成接收模块方案简洁，具备小型化特征；

(3)本发明的能量与相位调制信息集成接收机与基于能量调制的现有技术相比，利用整流电路出滤波器的传输性能将信息调制信号馈入信息接收模块，信号的调制样式不再是能量调制，而可选用相位调制如qpsk，则信息速率可以显著提高，整流电路的效率也得到保证。

(4)一种高能效能量与相位调制信息集成接收机，整流电路的输入滤波器保证携带能量和信息的调制信号基波低损传输，而阻隔高次谐波流入整流电路，同时阻隔整流产生的高次谐波分量向外传输，然后微波信号经阻抗匹配网络低损馈入整流器件，整流器件通过非线性作用将大部分微波信号转化为直流电能，同时保留一部分微波基波信号，输出滤波器一方面将直流电能直接馈入能量管理单元，并通过后者对电池充电，为供信息接收模块提供能源，另一方面将保留的基波信号经隔直电容馈入信息接收模块，进行解调等处理，并输出原始信息。本发明通过调整整流电路输出滤波器的s参数来满足串联信息接收模块的功率电平要求，使得能量和信息可以用同一载波协同传输，可以简化能量与信息集成接收机的设计，极大提高其能量效率。

(5)本发明在能量与信息集成接收机中，能同时保证整流电路输入信号的低损馈入和信息接收模块输入端口的信号功率电平，实现高效的集成接收，可以避免功分器带来的插损及其占用的体积重量，消除对信息调制样式的严格限制，从而缓解系统设计压力。

(6)整流电路输出滤波器的输出滤波器的传输参数s21不是依据常规整流电路输出滤波器要求设计，而是同时依据信息接收模块输入信号电平和整流电路效率两方面的要求而设计的。如果按照常规整流电路输出滤波器要求设计，这个滤波器的s21通常要求达到-45db以下。如果同时依据信息接收模块输入信号电平和整流电路效率两方面的要求而设计，前者要求滤波器的s21越高越好，后者要求滤波器的s21越低越好，则此时滤波器的s21设计值应按式(7)选取。

附图说明

图1为本发明能量与相位调制信息集成接收组成示意图；

图2为本发明接收机中整流电路框图；

图3为本发明接收机中整流电路输出滤波器仿真模型；

图4为本发明接收机中信息接收模块框图；

图5为本发明接收机中整流电路输出滤波器s21参数仿真结果；

图6为本发明接收机中整流电路输出滤波器物理仿真模型；

图7为本发明接收机中功率传输特性；

图8为本发明的整流电路的整流效率示意图；

图9为本发明接收机中信息接收模块解调信号星座图；

图10为本发明接收机中信息接收模块解调信号眼图；

图11为本发明接收机中信息接收模块解调信号evm。

具体实施方式

本发明的一种高能效能量与相位调制信息集成接收机，其主要功能有2个：一是能量接收，将天线接收下来一部分微波信号进行整流，得到直流电能；二是信息接收，将天线接收下来的另一部分微波信号进行解调译码，得到原始信息。它将能量接收模块和信息接收模块串联集成在一起，通过设计整流电路输出滤波器s参数特性来满足串联信息接收模块的功率电平要求。

下面结合附图对本发明方法及系统进行详细说明。

如图1所示为本发明一种高能效能量与相位调制信息集成接收机原理框图，它主要由能量接收模块和信息接收模块及隔直电容组成，其中能量接收模块包括整流电路输入滤波器1、整流电路阻抗匹配单元2、整流器件3、整流电路输出滤波器4、能量管理单元5、电池6；信息接收模块包括变频器8、中频放大器9、解调器10和基带处理模块11；信息接收模块通过隔直电容7连接整流电路的输出滤波器。

如图2所示为能量接收模块中的整流电路部分，整流电路拿出来进行功率分析。pi为输入的微波信号功率，中心频率为f0；prect为整流后的信号功率，

prect＝prect,dc+prect,1st+prect,2nd+prect,3rd+…(1)

prect,dc为整流后的直流信号功率；prect,1st为整流后的基波信号功率，中心频率为f0；prect,2nd为整流后的2次谐波信号，中心频率为2f0；prect,3rd整流后的3次谐波信号，中心频率为3f0。

po为从整流电路输出滤波器输出的信号功率，

po＝po,dc+po,fund+po,2ndharm+po,3rdharm+…(2)

po,dc为输出滤波器输出的直流信号功率；po,1st为输出滤波器输出的基波信号功率，中心频率为f0；po,2nd为输出滤波器输出的2次谐波信号，中心频率为2f0；po,3rd为输出滤波器输出的3次谐波信号，中心频率为3f0。

因为输出滤波器采用带阻滤波，阻带中心频率分别为f0和2f0，则有

其中po,dc作为直流电能进入储能电池，po,1st作为信息载波进入信息接收模块。信息接收模块能够解调原始信息的条件为：

po,1st≥pthresh(4)

其中pthresh为解调门限功率，为了保证信息链路可靠性，一般留有3db余量，所以可取：

po,1st＝pthresh+3db(5)

在式(5)中，功率单位采用dbm。

由图5可见，整流电路输出滤波器的s参数对po,1st起着重要的调控作用，即有：

po,1st＝prect,1st-s21(6)

结合式(5)有

s21＝prect,1st-(pthresh+3db)(7)

在式(6)、(7)中功率单位采用dbm，s参数采用db表示。整流电路输出滤波器的就是滤波器设计的关键。

然后用图3所示模型对整流电路输出滤波器进行设计，使其s21性能满足上述指标。

调制信息的基波信号经过输出滤波器后既然已经能够满足信息接收模块前端的变频器的要求，从而满足信息解调要求。因此，在信息接收模块中可以省去前端的低噪声放大器，集约化信息接收模块如图4所示。

在能量与信息集成接收机中，低噪声放大器所需的电能来自能量接收模块。能量接收模块提供的直流电能通过偏置电路施加在低噪声放大器上，并以增益放大的形式转化为微波信号。从能量利用效率的角度讲，低噪声放大器的能量转换效率非常低，某c频段低噪放的能量转换效率只有0.08％。在本发明中，因为馈入信息接收模块的射频信号直接取自前级输出的射频电路，不再需要增益放大，因而提高了能量效率。

下面结合实例对本发明进行详细说明。

某c频段能量与信息集成接收机，能量与信息载波中心频率为5.8ghz，天线截获的微波能量为17dbm，信息接收模块变频器输入信号电平为-15dbm(含3db余量)。

现用图3所示模型对整流电路输出滤波器进行设计，近按能量整流的要求设计的该滤波器s21＝-45.1db，此时馈入信息接收模块的功率为-26.35dbm，可见不满足信息接收模块的要求，应将滤波器的s21调整为

-45.1+(26.35-15+3)＝-30.75db

对滤波器再设计可得其s21性能如图5所示，满足对s21性能的要求，对应的物理模型如图6所示。此时可得到能量与信息集成接收机功率传输特性，如图7所示，可见在信息接收模块馈入点基波功率为3.892×10^-5w，即-14.10dbm。可见，该功率电平满足信息接收模块变频器对输入信号电平的要求。

分析整流电路的性能，如图8所示，可知在负载电阻为800ohm时，整流电路的转换效率最高，达到73.4％。因馈入信息接收模块而未经整流的信号功率为-14.10dbm，相比于经过能量整流的17dbm来说微乎其微，对整流效率产生的影响微乎其微。

通过上述设计，馈入信息接收模块的信号功率电平已经可以满足变频器对射频输入信号的要求，从而满足信息解调要求。因此，在信息接收模块中可以省去前端的低噪声放大器，集约化信息接收模块如图4所示。

在能量与信息集成接收机中，低噪声放大器所需的电能来自能量接收模块。能量接收模块提供的直流电能通过偏置电路施加在低噪声放大器上，并以增益放大的形式转化为微波信号。从能量利用效率的角度讲，低噪声放大器的能量转换效率非常低，某c频段低噪放的能量转换效率只有0.08％。在本发明中，因为馈入信息接收模块的射频信号直接取自前级输出的射频电路，不再需要增益放大，因而提高了能量效率。

在上述c频段能量与信息集成接收机的设计实例中，馈入信息接收模块的是微波信号，而不是直流信号，所以该信号是常用的调制样式，而不再是“能量调制”。现以常用的相位调制样式qpsk调制信号为例说明馈入接收模块的信号可解调。从星座图、眼图和evm三个方面说明信息传输性能，如图9、图10和图11所示，解调信号的星座图和眼图优良，解调后误差向量幅度evm(误差矢量幅度)非常低，说明信息调制信号可以顺利解调。

经过上述实施过程可见，本发明提出的一种高能效能量与相位调制信息集成接收机可以同时实现微波能量整流和信息接收解调，可有效地支持能量与信息协同传输体制。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。