一种聚焦式无线充电的辐射控制方法及系统与流程

本发明涉及无线充电技术领域，更具体的，涉及一种聚焦式无线充电的辐射控制方法及系统。

背景技术：

普通电源供电必须通过电源线、信号线等导线连接才能完成，这种供电方式无法摆脱导线的束缚，会存在导线接触、摩擦等产生放点的危险，而且使用起来也极不方便。因此，无线充电应用而生。当前的无线充56电方法原理上可以分为3类：一是电磁感应方式；二是磁共振的方式；三是微波输能的方式。依赖于目前的技术水平，前两种方式只能近距离充电，第三种方式是目前唯一一种能够远距离无线充电的方式。

在微波无线充电系统中，信号辐射部分一般需要大规模阵列天线，为保证信号控制能力和传输效率，每个天线单元需配有相应的相移或幅控单元，形成了相移单元阵列，才能控制发射方向，且相移单元与天线单元需整合在一起。因此，现有技术中的信号辐射部分的结构较为复杂，成本较高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种聚焦式无线充电的辐射控制方法及系统，辐射单元利用全息超表面技术设计的全息超表面天线，不再需要像传统阵列天线一样的多个天线单元阵列排布，大幅度降低了信号辐射部分的结构复杂度。

为了实现上述发明目的，本发明提供的具体技术方案如下：

一种聚焦式无线充电的辐射控制方法，包括：

获取接收端的位置信息；

根据所述接收端的位置信息，获得电磁波在所述接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布；

通过对全息超表面辐射单元馈电获得第一参考波；

将所述第一参考波在全息超表面辐射单元上的幅相分布与电磁波在所述接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布进行相干，计算得到辐射全息图，并将所述辐射全息图通过全息超表面辐射单元进行精确或近似表达；

将微波能量信号馈给全息超表面辐射单元，以形成第二参考波，所述第二参考波经过全息超表面辐射单元后，在所述接收端的相应位置形成能量焦点。

可选的，所述获取接收端的位置信息，包括：

根据接收端发送的导频信息确定所述接收端的位置信息。

可选的，所述全息超表面辐射单元由正面金属层、中间介质层和背面金属层构成，所述正面金属层上分布多个辐射槽。

可选的，当所述接收端为多个时，所述根据所述接收端的位置信息，获得电磁波在所述接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布，包括：

根据每个所述接收端的位置信息，获取每个所述接收端的物波，即获得每个所述接收端所在位置对应的全息超表面辐射单元应具备的幅相分布；

对每个所述接收端的物波进行叠加，得到电磁波在每个所述接收端所在位置聚焦所对应的总的全息超表面辐射单元的幅相分布。

可选的，当所述接收端为多个时，所述将所述第一参考波在全息超表面辐射单元上的幅相分布与电磁波在所述接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布进行相干，计算得到辐射全息图，包括：

将所述第一参考波在全息超表面辐射单元上的幅相分布分别与电磁波在每个所述接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布进行相干，计算得到每个所述接收端所在区域的辐射全息图。

可选的，所述方法还包括：

当所述接收端的位置信息发生变化时，获取电磁波在所述接收端所在新位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布；

将所述第一参考波在全息超表面辐射单元上的幅相分布与电磁波在所述接收端所在新位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布，计算得到新的辐射全息图；

根据所述新的辐射全息图生成幅相控制信号，以控制全息超表面辐射单元辐射的幅相，使其与新的辐射全息图匹配。

一种聚焦式无线充电的辐射控制系统，包括：

定位单元，用于获取接收端的位置信息；

获取单元，用于根据所述接收端的位置信息，获得电磁波在所述接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布；

第一馈电单元，用于通过对全息超表面辐射单元馈电获得第一参考波；

计算单元，用于将所述第一参考波在全息超表面辐射单元上的幅相分布与电磁波在所述接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布进行相干，计算得到辐射全息图，并将所述辐射全息图通过全息超表面辐射单元进行精确或近似表达；

第二馈电单元，用于通过同轴馈电的方式将微波能量信号馈给全息超表面辐射单元，以形成第二参考波，所述第二参考波经过全息超表面辐射单元后，在所述接收端的相应位置形成能量焦点。

可选的，所述定位单元具体用于：根据接收端发送的导频信息确定所述接收端的位置信息。

可选的，所述全息超表面辐射单元由正面金属层、中间介质层和背面金属层构成，所述正面金属层上分布多个辐射槽。

可选的，当所述接收端为多个时，所述获取单元具体用于：根据每个所述接收端的位置信息，获取每个所述接收端的物波，即获得每个所述接收端所在位置对应的全息超表面辐射单元应具备的幅相分布；对每个所述接收端的物波进行叠加，得到电磁波在每个所述接收端所在位置聚焦所对应的总的全息超表面辐射单元的幅相分布。

可选的，当所述接收端为多个时，所述计算单元具体用于：将所述第一参考波在全息超表面辐射单元上的幅相分布分别与电磁波在每个所述接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布进行相干，计算得到每个所述接收端所在区域的辐射全息图。

可选的，当所述接收端的位置信息发生变化时，所述获取单元，还用于获取电磁波在所述接收端所在新位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布；

所述计算单元，还用于将所述第一参考波在全息超表面辐射单元上的幅相分布与电磁波在所述接收端所在新位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布，计算得到新的辐射全息图；

所述系统还包括：

控制单元，用于根据所述新的辐射全息图生成幅相控制信号，以控制全息超表面辐射单元辐射的幅相，使其与新的辐射全息图匹配。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

本发明公开的一种聚焦式无线充电的辐射控制方法，利用全息超表面技术设计的全息超表面天线，不再需要像传统阵列天线一样的多个天线单元阵列排布，大幅度降低了信号辐射部分的结构复杂度，降低了信号辐射部分的生产成本。且全息超表面技术中馈电只需单一馈源不需要进行功率分配，提升了系统的充电效率，降低功率损耗。利用全息图原理调控辐射单元，使辐射控制更加精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种聚焦式无线充电的辐射控制方法流程图；

图2为本发明实施例公开的一种全息超表面辐射单元的结构示意图；

图3为本发明实施例公开的另一种全息超表面辐射单元的结构示意图；

图4为本发明实施例公开的一种辐射全息图的计算方法流程图；

图5为本发明实施例公开的一种物波叠加示意图；

图6为本发明实施例公开的另一种辐射全息图的计算方法流程图；

图7为本发明实施例公开的另一种聚焦式无线充电的辐射控制方法流程图；

图8为本发明实施例公开的一种聚焦式无线充电的辐射控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本实施例公开了一种聚焦式无线充电的辐射控制方法，具体包括以下步骤：

s101：获取接收端的位置信息；

需要说明的是，接收端可以为1个或1个以上。

获取接收端的位置信息的方式有多种，如，根据接收端发送的导频信息确定所述接收端的位置信息、通过蓝牙beacon定位、视觉定位、红外定位、当接收端位置固定时预先在接收端存储位置信息等。

s102：根据所述接收端的位置信息，获得电磁波在所述接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布；

s103：通过对全息超表面辐射单元馈电获得第一参考波；

具体的，可以通过同轴馈电的方式馈电给全息超表面辐射单元的介质板产生第一参考波，可以理解的是，同轴馈电只是本实施中的一种优选实施方式，其他方式也可以产生第一参考波。

s104：将所述第一参考波在全息超表面辐射单元上的幅相分布与电磁波在所述接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布进行相干，计算得到辐射全息图，并将所述辐射全息图通过全息超表面辐射单元进行精确或近似表达；

可以理解的是，一个接收端对应多个全息超表面辐射单元。本实施例公开的一种聚焦式无线充电的辐射控制方法可以有一个或一个以上的接收端。

s105：将微波能量信号馈给全息超表面辐射单元，以形成第二参考波，所述第二参考波经过全息超表面辐射单元后，在所述接收端的相应位置形成能量焦点。

需要说明的是，可以通过同轴馈电的方式将微波能量信号馈给全息超表面辐射单元产生第二参考波，可以理解的是，同轴馈电只是本实施中的一种优选实施方式，其他方式也可以产生第二参考波。

还需要说明的是，产生第一参考波的方式可以与产生第二参考波的方式相同。

可以理解的是，馈源是单一的，由于为单一馈源，不需要功率分配。

微波能量信号通过同轴馈电的方式馈给全息超表面辐射单元，全息超表面辐射单元的中间介质层内形成横向柱面波，柱面波与控制信号产生作用，形成在接收端相应位置的聚焦点。

请参阅图2，图2为一种全息超表面辐射单元的结构示意图，所述全息超表面辐射单元由正面金属层、中间介质层和背面金属层构成。其中，背面金属层相当于地层，一般为覆铜工艺；正面金属层的材质可以和背面金属层相同，正面金属层上分布多个辐射槽，形成辐射槽阵列，从而形成由槽型亚波长超材料单元阵列组成的超表面天线。全息超表面辐射单元采用同轴馈电方式馈电，同轴插针内插针与背面和正面不接触，同轴插针贯穿背面金属层、中间介质层和正面金属层。

请参阅图3，图3为另一种全息超表面辐射单元的结构示意图，全息超表面形成多种缝隙，每个缝隙即是一个超表面单元，通过对缝隙的调控，可以形成不同的全息图样。金属环是处在超表面下一层，金属墙内部的环，通过对该金属环的调节，可以调节缝隙的辐射，从而达到调控的目的(以对应物体的移动)。金属墙与缝隙所在的表面和背部介质，在内部形成一个腔体。金属环在腔体内部。

需要说明的是，图2和图3只是形成全息超表面辐射单元的一种方式，其他还有很多形成方式，只要能够在表面形成类似的幅度和相位分布就可以。

电磁波在接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布，为接收端的物波。当接收端为多个时，电磁波在接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布可以为每个接收端的物波，也可以为每个接收端物波进行叠加形成的总物波。

相应的，计算辐射全息图的方法可以有多种，以下列举两种方式：

方式一

请参阅图4，方式一中计算辐射全息图的方法具体包括以下步骤：

s401：根据每个所述接收端的位置信息，获取每个所述接收端的物波，即获得每个所述接收端所在位置对应的全息超表面辐射单元应具备的幅相分布；

s402：对每个所述接收端的物波进行叠加，得到电磁波在每个所述接收端所在位置聚焦所对应的总的全息超表面辐射单元的幅相分布；

s403：将所述第一参考波在全息超表面辐射单元上的幅相分布与所述总的全息超表面辐射单元的幅相分布进行相干，计算得到辐射全息图。

请参阅图5，物波的叠加具体为：

在物体1处形成焦点，对应于平面上需要的电磁场分布可以表示为r1(x,y),其中，xy表示表面平面上的坐标点；r1矩阵里面的每一个元素对应超表面上的每一个单元所应该具备的辐射的幅度相位，是一个复数；同样r2，r3也可以得到。

下面公式表示坐标(x,y,0)上应该具有的幅相分布：

其中，k为电磁波传播的波数，rk表示物体k的空间坐标，(xk,yk,zk)，r表示超表面上某一点的坐标(x,y,0),超表面中点坐标为(0,0,0)，该幅相分布可以在(xk,yk,zk)处聚集。

那么，针对这三个焦点，平面对应的幅相分布为r1+r2+r3；

整个聚焦分为两步：先用第一参考波与r1+r2+r3相干形成全息图，并用超表面的各个单元去近似；用第二参考波激励超表面形成的全息表面，即可以得到三个位置的焦点。

方式二

请参阅图6，方式一中计算辐射全息图的方法具体包括以下步骤：

s601：根据每个所述接收端的位置信息将多个超表面辐射单元划分到不同区域；

s602：将所述第一参考波在全息超表面辐射单元上的幅相分布分别与电磁波在每个所述接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布进行相干，计算得到每个所述接收端所在区域的辐射全息图。

本实施例公开的一种聚焦式无线充电的辐射控制方法，利用全息超表面技术设计的全息超表面天线，不再需要像传统阵列天线一样的多个天线单元阵列排布，大幅度降低了信号辐射部分的结构复杂度，降低了信号辐射部分的生产成本。且全息超表面技术中馈电只需单一馈源不需要进行功率分配，提升了系统的充电效率，降低功率损耗。利用全息图原理调控辐射单元，使辐射控制更加精确。

可以理解的是，在实际应用过程中接收端的位置可能会发生变化，为了在接收端位置发生变化时可以实现准确控制，请参阅图7，本实施例公开了另一种聚焦式无线充电的辐射控制方法，具体包括以下步骤：

s701：当所述接收端的位置信息发生变化时，获取电磁波在所述接收端所在新位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布；

s702：将所述第一参考波在全息超表面辐射单元上的幅相分布与电磁波在所述接收端所在新位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布，计算得到新的辐射全息图；

s703：根据所述新的辐射全息图生成幅相控制信号，以控制全息超表面辐射单元辐射的幅相，使其与新的辐射全息图匹配。

本实施例公开的一种聚焦式无线充电的辐射控制方法，在接收端的位置发生变化时，计算得到新的辐射全息图，根据新的辐射全息图生成幅相控制信号，以控制全息超表面辐射单元辐射的幅相，实现聚焦式无线充电的准确辐射控制。

基于上述实施例公开的一种聚焦式无线充电的辐射控制方式，请参阅图8，本实施例对应公开了一种聚焦式无线充电的辐射控制系统，包括：

定位单元801，用于获取接收端的位置信息；

可选的，所述定位单元具体用于：根据接收端发送的导频信息确定所述接收端的位置信息。

获取单元802，用于根据所述接收端的位置信息，获得电磁波在所述接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布；

可选的，所述全息超表面辐射单元由正面金属层、中间介质层和背面金属层构成，所述正面金属层上分布多个辐射槽。

可选的，当所述接收端为多个时，所述获取单元802具体用于：根据每个所述接收端的位置信息，获取每个所述接收端的物波，即获得每个所述接收端所在位置对应的全息超表面辐射单元应具备的幅相分布；对每个所述接收端的物波进行叠加，得到电磁波在每个所述接收端所在位置聚焦所对应的总的全息超表面辐射单元的幅相分布。

第一馈电单元803，用于通过对全息超表面辐射单元馈电获得第一参考波；

计算单元804，用于将所述第一参考波在全息超表面辐射单元上的幅相分布与电磁波在所述接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布进行相干，计算得到辐射全息图，并将所述辐射全息图通过全息超表面辐射单元进行精确或近似表达；

可选的，当所述接收端为多个时，所述计算单元804具体用于：将所述第一参考波在全息超表面辐射单元上的幅相分布分别与电磁波在每个所述接收端所在位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布进行相干，计算得到每个所述接收端所在区域的辐射全息图。

第二馈电单元805，用于将微波能量信号馈给全息超表面辐射单元，以形成第二参考波，所述第二参考波经过全息超表面辐射单元后，在所述接收端的相应位置形成能量焦点。

可选的，当所述接收端的位置信息发生变化时，所述获取单元802，还用于获取电磁波在所述接收端所在新位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布；

所述计算单元804，还用于将所述第一参考波在全息超表面辐射单元上的幅相分布与电磁波在所述接收端所在新位置聚焦所对应的全息超表面辐射单元的幅相分布，计算得到新的辐射全息图；

所述系统还包括：

控制单元，用于根据所述新的辐射全息图生成幅相控制信号，以控制全息超表面辐射单元辐射的幅相，使其与新的辐射全息图匹配。

本实施例公开的一种聚焦式无线充电的辐射控制系统，利用全息超表面技术设计的全息超表面天线，不再需要像传统阵列天线一样的多个天线单元阵列排布，大幅度降低了信号辐射部分的结构复杂度，降低了信号辐射部分的生产成本。且全息超表面技术中馈电只需单一馈源不需要进行功率分配，提升了系统的充电效率，降低功率损耗。利用全息图原理调控辐射单元，使辐射控制更加精确。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。