天线阵列波束赋形离散角度控制方法与流程

本发明涉及一种面向低功耗物联网设备的远距离无线能量和信息协同传输领域，特别是关于一种天线阵列波束赋形离散角度控制方法。

背景技术：

当前，物联网发展极其迅速，正在进入我们的日常生活。智慧城市、智能家居、智能建筑、可穿戴设备等领域都在日新月异地向前演进发展。这些应用领域中有大量的物联网设备以无线形式组成网络，实现相互之间的互联互通。未来几年内，5g通信将实现普及商用，5g时代将有越来越多的设备接入网络，将构建出物物之间或人与物之间的海量连接世界，绝大多数消费产品、工业品、物流等都可以与网络连接。这些物品上的网络接入设备和智能控制设备都有持续的电能供给需求。而传统供电办法,比如有线电源或电池供电，是无法满足这种需求的。远距离无线能量传输技术将从根本上解决低功耗物联网终端设备的能量来源问题。

现有的商用化的能量采集模块主要利用动能、光能、热能等，使设备从周围环境中采集能量，但此类能量采集方法有很多弊端，比如能量采集效率低、能量采集效果受环境影响较大等。相比之下，采集我们生活的环境中的无线电信号，或从专门设计的信号发送源中采集无线电能量将是一种可持续且可靠的能量采集方案。采用天线阵列产生方向性极强的波束(beamforming)，称为波束赋形，在传输信息的同时也可向接收设备传输能量，是解决低功耗设备能耗问题的一个崭新的方案。与现有的以能量扩散方式的无线能量传输协议相比(如qi标准以电感耦合方式传输能量，两电感线圈之间的最大通讯距离只有厘米级)，天线阵列波束赋形可实现远距离无线能量传输(至多可达百米级)，极大地提高了发射源的覆盖范围。其基本原理是利用天线矩阵的波束赋形技术产生出能量方向性极强的波束，实现无线能量的远距离传输，有效的解决能量传输的有效性这个问题。

波束赋形的方式可以把能量集中到一个方向传输，可以有效地提高传输距离。传统的波束赋形一般用于提高信噪比，减少干扰，一般与最小均方算法(lms算法)等配合使用。但无论哪种波束赋形的方法，最基本方法离不开对天线矩阵中每一个天线的馈电幅度和馈电相位的控制。传统的控制方法一般是模拟的，并且在很多算法中要求幅度相位一起控制，电路的设计难度比较大。在未来5g大规模天线系统中实现对每一个天线馈电幅度和馈电相位同时控制，电路设计的实际难度更大，甚至不可行。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种天线阵列波束赋形离散角度控制方法，其采用非模拟的馈电控制方式实现天线矩阵的波束赋形控制，可以极大程度上降低控制电路的设计难度，使未来大规模天线矩阵的使用成为可能。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种天线阵列波束赋形离散角度控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：1)设置发射端天线矩阵；2)设置一离散天线阵控制器，该控制器包括存储控制器和天线相位调节器；3)选择波束赋形的方向角度个数和分辨率，确定每个波束赋形方向对应的天线矩阵中每两个天线馈电的相位差，建立一一对应关系；4)按照接收设备的方向信息，利用天线相位调节器调整天线矩阵中每两个天线馈电的相位差，移动波束赋形后的波瓣方向，使其方向指向接收设备。

进一步，所述步骤1)中，根据实际无线能量传输的频率和通信信道的自然环境，选择能量传输的频率，并由此确定天线尺寸、天线数量和天线之间的间距，确保波束赋形后波瓣宽度、能量增益和传输距离在预先设定的范围内。

进一步，所述步骤3)中，根据所要覆盖的无线能量传输的范围和接收设备在此范围内的地理位置分布情况，选择波束赋形的方向分辨率和方向角度个数；利用天线相位调节器确定每个波束赋形方向对应的天线矩阵中每两个连续天线馈电的相位差。

进一步，所述离散天线阵控制器中的存储控制器用于存储各个接收设备的位置方向信息；所述天线相位调节器为天线矩阵中的每一个天线提供一个相位调节器，即根据接收设备的方向信息，调整设定天线矩阵中每两个天线的相位差，使最终波束赋形的方向朝向请求能量传输的接收设备的方向。

进一步，所述天线矩阵采用现有的4g通信的基站天线矩阵，或采用为无线能量传输建立的专用多天线发射器。

进一步，所述接收设备为非移动中的接收设备；所述接收端包括但不限于低功耗的传感器、控制器及其附属电路。

进一步，所述天线矩阵采用1维、2维或3维，每两个天线之间的间距为辐射频率波长的1/2，最终的波束赋形的方向根据天线矩阵的具体情况为平面上的某一个角度，或为3维空间的某一个角度。

进一步，当所述接收设备的发射天线和接收天线分开使用时，所述接收设备使用2根以上的天线，其中一根天线用于接收无线能量传输。

本发明具有的有益效果是：1、本发明可以极大的简化未来大规模天线矩阵的控制电路的设计，不但降低了复杂度，而且可做到高效快捷，适用于对大量物联网终端设备的无线能量和信息协同传输。2、本发明发射端天线矩阵在执行能量传输前需要根据某特定的物理层的来波算法推断终端设备的具体方位(平面2维或空间3维定位信息)，或者预先设置定位信息，例如gps信息等，直接使用天线矩阵的波束赋形的方式传递能量到接收设备所在方向，接收设备受到波束赋形的能量辐射，利用能量采集器采集传递过来的能量。本发明并不涉及定位接收设备方向的方法以及接收端的能量采集方法。只要离散天线阵控制器获取到传输能量的方向信息，即可开始发射无线能量到接收设备，因此接收设备在位置固定的情况下可以直接进行能量采集应用。如果接收设备处于移动情况下，只要配合适当的移动设备的定位算法也可完成波束准确对准并进行能量采集。3、本发明所采用的离散天线阵控制器的波束赋形的方向角度是一个个预先设定好的角度，每一个角度对应一个预先设定的每两个连续天线的相位差，从而选择波束赋形的最终方向。相对于连续的相位调器，使用此系统的天线矩阵最终并不可以使波束赋形指向每一个方向角度都，而是在实际使用中根据方向的精度要求设计方向角度的最小分辨率(建议1度到5度，甚至更小角度间隔)，从而设定相位调节器的离散调节精度，这相对于连续调节相位的调节系统在设计和维护上简化很多，从而减低设计和制造难度。在实际使用中可以根据需要使用高精度多角度的离散相位调节的方式替代连续相位调节系统。此外，若采用3维天线矩阵可以更准确的传递能量到接受设备，提高能量利用率。4、本发明是无线能量的物理层框架，不涉及上层协议，但离散天线阵控制器接收到的接收设备的请求方式和接收设备的位置信息不排除是由应用层直接传达。综上所述，本发明可以广泛应用对位置固定的物联网终端设备(如部署在桥梁、楼宇、仓库等)进行远距离无线能量和信息系统传输。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地，从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明利用波束赋形实现远距离无线能量传输示意图；

图2是本发明的离散天线阵控制器原理示意图；

图3a是本发明的线天线矩阵示意图；

图3b是本发明的面天线矩阵示意图；

图4是本发明实施例中线天线阵列中每两个天线的相位差30度和60度；

图5是本发明实施例中线天线矩阵高精度的方向角度调节示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。

本发明提供的天线阵列波束赋形离散角度控制方法是通过已知的接收设备位置信息，对天线阵列中各个天线的相位角度进行离散控制，进而形成波束，用于远距离无线能量和信息协同传输。

如图1所示，本发明采用离散的天线阵波束赋形的合成方式，实现天线辐射能量的集中并朝某一选定的方向传输。其重点在天线控制器的馈电电路的控制方式是离散的，并非传统的模拟的幅度相位控制。本发明中离散的控制器对每一个天线馈电的幅度不变，并从一个查找表中选择馈电的相位，最终的天线矩阵波束赋形的方向是预先设定好的方向，并且可选取的方向的数量和分辨率根据查找表的大小而设定。本发明的控制方法包括以下步骤：

1)设置发射端天线矩阵：根据实际无线能量传输的频率、通信信道的自然环境和城市及乡村环境等不同因素，选择能量传输的频率，并由此确定天线尺寸、天线数量和天线之间的间距，确保波束赋形后波瓣宽度、能量增益和传输距离等参数在预先设定的范围内。

2)如图2所示，设置一离散天线阵控制器，该控制器包括存储控制器1和天线相位调节器2。存储控制器1用于存储各个接收设备的位置方向信息，该位置方向信息可以传递自上层协议(非物理层信息)，也可提前预先设定。天线相位调节器2为天线矩阵中的每一个天线提供一个相位调节器，即根据接收设备的方向信息，调整设定天线矩阵中每两个天线的相位差，使得最终波束赋形的方向朝向请求能量传输的接收设备的方向。

3)根据所要覆盖的无线能量传输的范围和接收设备在此范围内的地理位置分布情况，选择波束赋形的方向分辨率和方向角度个数，并利用天线相位调节器2确定每个波束赋形方向对应的天线矩阵中每两个天线馈电的相位差，从而建立一一对应关系，实现离散化控制。

4)按照接收设备的方向信息，利用天线相位调节器2调整天线矩阵中每两个天线馈电的相位差，移动波束赋形后的波瓣方向，使其方向指向接收设备，接收设备受到波束赋形的能量辐射，利用接收设备内的能量采集器采集接收到的能量，进而实现远距离无线能量的传输；同时，接收设备接收到的能量辐射中也可包含通信信息，从而无线能量与信息可进行协同传输，接收端设备能量采集与信息接收的协同方法并不包含于本发明专利。

上述各步骤中，天线矩阵可以采用现有的4g通信的基站天线矩阵，也可以采用为无线能量传输建立的专用多天线发射器。接收设备为非移动中的单天线接收设备；接收端可以是任意非移动环境下的低功耗物联网设备，例如传感器、控制器及其附属电路等。

上述各步骤中，天线矩阵可以是1维，也可是2维或3维(如图3a、图3b所示)，每两个天线之间的间距通常为辐射频率波长的1/2，最终的波束赋形的方向根据天线矩阵的具体情况可以是平面上的某一个角度，也可以是3维空间的某一个角度。如果在离散天线阵控制器中预先输入接收设备的位置信息是平面2维的，那么2维方向的波束赋形的天线矩阵可以满足要求，比如线天线矩阵。如果在离散天线阵控制器中预先输入终端设备的位置信息是空间3维的，则需要采用3维方向的波束赋形的天线矩阵，比如面天线矩阵。

上述各步骤中，当接收设备的发射天线和接收天线分开使用时，不排除接收设备使用2根以上的天线，但必须有至少一根天线用于接收无线能量传输。

实施例：假设线天线阵列每两个天线之间的间距为辐射频率波长的1/2，并且每个天线馈电的幅度相同，控制器控制天线阵列中每一个天线的相位来调节天线阵列波束赋形的方向。当天线阵中的每两个天线馈电的相位相差一定额角度(比如30度或60度等)，则波束赋形后的辐射方向朝向不同角度，如图4所示。

在本实施例中采用的离散天线阵控制器中，波束赋形的方向角度是一个个预先设定好的角度，通过选择预先设定的相位差以选择波束赋形的方向。本发明所述波束赋形指向方向角度为非连续调节，并根据方向的精度要求设计方向角度的最小分辨率。在图4的仿真结果中，天线相位调节器设定天线矩阵中每两个天线的相位差为30度，波束赋形最终的方向角度的分辨率大约为37度，最终的方向角度的选择个数为6个(180度/37度)；在图5仿真的高精度的方向角度调节系统中，天线相位调节器设定天线矩阵中每两个天线的相位差为5度，由此构成的波束赋形最终的方向角度分辨率大约为4度，最终方向角度的选择个数是45个(180度/4度)。如果波束赋形最终的方向角度分辨率的要求更高，还可以进一步减小天线矩阵中每两个天线的相位差，由此增加方向角度选择个数。

采用3维方向的波束赋形天线矩阵，也同样采用离散的方向调节，基本思路与前述步骤相同。实际使用中，接收设备的准确定位一般是3维方向，因此采用3维方向调节的天线系统会更准确的把能量传递到接受设备，从而提高能量的传输效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。