非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成方法及系统与流程

本发明涉及无线电能传输技术，具体为一种非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成方法及系统。

背景技术：

随着“智慧城市”，“万物互联”等概念的不断发展，无线通信系统、无线传感网络的能量供给面临着全新的挑战。整流天线阵列可将微波能量转化为直流能量，提供给负载。

现有技术中四川大学公开了两种整流天线阵列的方案，其一公开的是申请号为201110168512.5的中国专利“一种微波接收整流天线阵列”中提出了一种工作在2.45ghz的线极化二元串联微带矩形贴片阵列作为接收整流天线，该方法通过采用微带线串联馈电使天线与整流电路位于同一个平面上，单元贴片之间引入的两个短枝节可以调节天线方向图的指向。该发明具有剖面小、体积小、重量轻，易于和用电设备共面共形的特点。该方法存在的不足之处是：该整流天线阵列在点对点的能量传输过程中因为阵列表面功率分布不均匀导致整流效率较低，难以实现射频能量的高效收集。

其二公开的是申请号为201910175148.1的中国专利“用于空间电磁波探测及能量收集的超表面整流天线阵列”中提出了一种用于空间电磁波探测及能量收集的超表面整流天线阵列。该方法能够收集空间中各种模式的电磁波能量。相比于传统的整流天线，超表面天线阵列可以高效率地收集低功率射频能量，并将这些射频能量分类收集，可广泛地应用于空间电磁波频率、极化探测和空间无线能量收集等。该方法所设计的天线存在的不足之处是：系统不能实现大功率整流，因而难以满足高功率密度应用场景。

但是传统的整流天线阵列采用均匀分布的整流阵列，即对每个天线单元接收到的射频功率进行整流后合路或按照统一的周期的馈电网络先合路再整流。由于微波传能的收发天线口径较大，接收口径上的功率分布会呈现明显的不均匀性，越靠近波束中心的位置功率密度越大，越处于阵面边缘则功率密度越低。如果按照统一的整流网络进行整流，则难以保证每一路整流的输入功率都处于该电路的最佳匹配功率范围内，造成整流效率大幅下降，影响系统的工作效率。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成方法及系统，设计合理，保证整流天线阵列功率分布不均衡时仍拥有较高的整流效率，减小直流功率合成时的能量损耗，为不同规模的整流天线阵列的直流功率合成提供指导，达到较高的整体能量转换效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成方法，包括：

根据整流天线阵列的非均匀功率分布，得到中心到边缘的功率差；

根据整流天线阵列的功率范围和功率差，设计多个不同最佳适用功率范围的整流电路，所有整流电路最佳适用功率范围的并集能够包含所述整流天线阵列的功率范围，且并集的功率差不小于所述整流天线阵列的功率差；

根据所述整流电路的最佳适用功率范围，将整流天线阵列划分为不同的功率区域；

根据不同功率区域直流电压的大小关系，确定负载电阻串并联组合方式，完成非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成；所述负载电阻串并联组合方式使得从低功率区域与相邻高功率区域的直流电压相差最小。

优选的，所述根据所述整流电路的最佳适用功率范围，将整流天线阵列划分为不同的功率区域时，每个功率区域对应的整流电路的整流效率最高。

优选的，所述确定负载电阻串并联组合方式时；

第m区域每|t|个负载电阻先串联然后与第m-1区域的负载电阻并联；其中，m为功率区域的数量，其为大于等于2的正整数，vm-1＝t×vm，vm-1和vm分别为第m-1和第m区域的直流电压大小，|t|表示最接近t的整数。

进一步，所述确定负载电阻串并联组合方式时，

若nm-1×|t|＝nm，此时第m-1区域的每个负载电阻都与|t|个第m区域的负载电阻并联；其中，n为整流天线阵列中包含的天线单元，nm为第m个区域中包含的天线单元个数，n和m均为大于等于2的正整数，2≤m≤n，n1+n2+...+nm＝n。

进一步，所述确定负载电阻串并联组合方式时，

若nm-1×|t|≥nm，此时第m区域中有个负载电阻分别与|t|个第m区域的负载电阻并联，第m区域剩余的个负载电阻全部并联组合；其中，n为整流天线阵列中包含的天线单元，表示最接近且不大于的整数；nm为第m个区域中包含的天线单元个数，n和m均为大于等于2的正整数，2≤m≤n，n1+n2+...+nm＝n。

进一步，所述确定负载电阻串并联组合方式时，

若nm-1×|t|≤nm，此时第m-1区域的每个负载电阻都与|t|个第m区域的负载电阻并联，第m区域剩余的nm-nm-1×|t|个负载电阻全部并联组合；其中，n为整流天线阵列中包含的天线单元，nm为第m个区域中包含的天线单元个数，n和m均为大于等于2的正整数，2≤m≤n，n1+n2+...+nm＝n。

非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成系统，包括，

获取模块，根据整流天线阵列的非均匀功率分布，得到中心到边缘的功率差；

设计模块，根据整流天线阵列的功率范围和功率差，设计多个不同最佳适用功率范围的整流电路，所有整流电路最佳适用功率范围的并集能够包含所述整流天线阵列的功率范围，且并集的功率差不小于所述整流天线阵列的功率差；

划分模块，根据所述整流电路的最佳适用功率范围，将整流天线阵列划分为不同的功率区域；

合成模块，根据不同功率区域直流电压的大小关系，确定负载电阻串并联组合方式，完成非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成；所述负载电阻串并联组合方式使得从低功率区域与相邻高功率区域的直流电压相差最小。

优选的，所述合成模块，确定负载电阻串并联组合方式时，配置为；第m区域每|t|个负载电阻先串联然后与第m-1区域的负载电阻并联；其中，m为功率区域的数量，其为大于等于2的正整数，vm-1＝t×vm，vm-1和vm分别为第m-1和第m区域的直流电压大小，|t|表示最接近t的整数。

一种计算机设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上任一项所述的非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成方法。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过整流天线阵列的特征，根据整流电路的最佳适用功率范围进行区域划分，然后通过串并联组合将相邻功率区域的直流电压进行匹配，可以保证整流天线阵列功率分布不均衡时仍拥有较高的整流效率，减小直流功率合成时的能量损耗；同时该发明给出了完整而全面的整流天线直流功率合成思路，为不同规模的整流天线阵列的直流功率合成提供指导，达到较高的整体能量转换效率。

附图说明

图1为本发明的非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成方法区域示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明实施例所述的整流天线阵列功率分布图；

图4a为本发明实施例所述第1区域的整流效率与直流电压仿真结果。

图4b为本发明实施例所述第2区域的整流效率与直流电压仿真结果。

图5为本发明实施例所述的整流天线阵列功率合成系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成方法，所述方法的实现步骤是：(1)根据整流天线阵列的功率范围和功率差，设计多个不同最佳适用功率范围的整流电路；(2)根据所述整流电路的最佳适用功率范围，把整流天线阵列划分成不同的功率区域；(3)根据不同功率区域直流电压的大小关系确定负载电阻串并联组合方式。本发明的整流天线阵列直流功率合成方法可以保证整流天线阵列功率分布不均衡时仍拥有较高的整流效率，满足射频能量收集的应用需求。

如图1所示，根据整流天线阵列的功率范围和功率差，设计m个不同最佳适用功率范围的整流电路，也就是m种不同功率量级的整流电路；根据所述整流电路的最佳适用功率范围，把整流天线阵列划分成m个不同的功率区域，其中，位于核心的第1区域功率最大，第2区域功率递减，第m区域功率最小；第m区域负载电阻局部串联后直流电压与第m-1区域相近，然后与第m-1区域的负载电阻并联，其中m≥2；以第1区域和第2区域为例，第2区域负载电阻局部串联后直流电压与第1区域相近，然后与第1区域的负载电阻并联，实现不同区域之间的功率合成。

根据整流电路先进行分区，然后通过分区整流再进行功率合成的方法，进而设计合理的直流功率合成方案，以维持较高的整体能量转换效率，可满足多种功率场景。

具体的，本发明非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成方法，如图2所示，其包括：

步骤一，根据整流天线阵列的非均匀功率分布，得到中心到边缘的功率差；功率差主要是为了提取非均匀功率分布的分布范围特点，为后续整流电路的设计提供设计范围。

步骤二，根据整流天线阵列的功率范围和功率差，设计多个不同最佳适用功率范围的整流电路，所有整流电路最佳适用功率范围的并集能够包含所述整流天线阵列的功率范围，且并集的功率差不小于所述整流天线阵列的功率差。在高频电路仿真软件ads中，采用谐波平衡方法(hb)，选用相同或者不同型号的二极管设计不同功率量级的整流电路。例如，基于gan异质结二极管的大功率整流电路，基于hsms-286c肖特基二极管的小功率整流电路等。

步骤三，根据所述整流电路的最佳适用功率范围，将整流天线阵列划分为不同的功率区域。

根据整流电路的最佳适用功率范围，将整流天线阵列表面功率分布把大阵列划分成不同的功率区域，并根据不同整流电路中整流二极管的最佳适用功率范围确定每个功率区域的基准功率；

一种整流电路对应整流天线阵列的每一个区域，每一种整流电路二极管和电路拓扑结构应该最适合该区域功率量级，确保阵列的每一个区域均可获得最佳的能量转换效率。

步骤四，根据不同功率区域直流电压的大小，关系确定负载电阻串并联组合方式，完成非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成；所述负载电阻串并联组合方式使得从低功率区域与相邻高功率区域的直流电压相差最小。

将基准功率作为该区域的微波功率，得到不同功率区域的直流电压大小。

当相邻两个区域的功率相差较大时，中心区域的直流电压往往远高于边缘区域，此时小功率区域的输出端负载电阻需要局部串联以提升整体电压直到与相邻的大功率区域直流电压基本相同时才能与大功率区域的负载电阻并联，以减小直流功率合成时的能量损耗；如果相邻两个区域的直流输出电压相近，此时这两个区域的负载电阻应采用并联组合方式。

其中，步骤二所述整流电路一共设计有m种；步骤三中，所述整流天线阵列包含n个天线单元，根据整流电路的最佳适用功率范围，共划分为m个功率区域；所述整流天线阵列中心区域功率最大，功率向四周递减；所述整流天线阵列中心区域包含n1个单元，称为第1区域，该区域微波功率为pr1，依次排序，最靠边缘的区域包含nm个单元，称为第m区域，该区域微波功率为prm。其中n，m为大于等于2的正整数，2≤m≤n，n1+n2+...+nm＝n。

每个区域对应的整流电路整流效率最高；所述整流电路在第1区域的整流效率为η1，负载电阻为r1，直流输出电压为v1，依次排序，第m区域整流效率表示为ηm，负载电阻为rm，直流输出电压为vm；所述整流电路在不同区域的输出特性可用数学表达式展示。

第1区域微波功率pr1与输出特性的关系可表示为：

第2区域微波功率pr2与输出特性的关系可表示为：

依此类推，第m区域微波功率prm与输出特性的关系可表示为：

步骤四，所述负载电阻串并联组合方式应遵循不同区域的直流电压大小关系，确保组合前后的直流电压不会降低。第1区域到第m区域的直流电压大小关系可表示为：

v1＝p×v2

v2＝q×v3

…

vm-1＝t×vm

其中，p，q与t均为大于等于1的正数，用|p|表示最接近p的整数，|q|表示最接近q的整数，|t|表示最接近t的整数；p表示第2区域的负载电阻数量和第1区域的负载电阻数量的比值，q分别表示第3区域的负载电阻数量和第2区域的负载电阻数量的比值，t表示第m区域的负载电阻数量与第m-1区域的负载电阻数量的比值；

所述负载电阻串并联组合方式是指：第2区域每|p|个负载电阻先串联然后与第1区域的负载电阻并联，同理，第3区域每|q|个负载电阻先串联然后与第2区域的负载电阻并联，依此类推，第m区域每|t|个负载电阻先串联然后与第m-1区域的负载电阻并联；

所述负载电阻串并联组合方式会出现以下情形，以第1区域和第2区域为例：

若n1×|p|＝n2，此时第1区域的每个负载电阻都与|p|个第2区域的负载电阻并联，第2区域的n2个负载电阻全部分配完毕；

若n1×|p|≥n2，此时第1区域中有个负载电阻分别与|p|个第2区域的负载电阻并联，第2区域还剩下个负载电阻待分配，应当把它们全部并联组合，这样第2区域的负载电阻分配完毕；

若n1×|p|≤n2，此时第1区域的每个负载电阻都与|p|个第2区域的负载电阻并联，第2区域还剩下n2-n1×|p|个负载电阻待分配，应当把它们全部并联组合即可。其中，表示最接近且不大于的整数。

具体的，本实施例以高功率射频能量收集为背景，采用46×46大规模整流天线阵列收集能量。阵列二维尺寸为1.2m×1.2m，工作频率为5.8ghz，步骤如下：

步骤一：根据整流天线阵列的非均匀功率分布，得到中心到边缘的功率差；图3为实施例的整流天线阵列功率分布图，考虑到阵列中间位置有260个单元的功率至少达到2w，而且这260个单元周围还有1488个天线单元可通过不同的射频合路的方式组合达到1w到4w的功率量级。

步骤二：根据整流天线阵列的功率范围和功率差，设计多个不同最佳适用功率范围的整流电路，所有整流电路最佳适用功率范围的并集能够包含所述整流天线阵列的功率范围，且并集的功率差不小于所述整流天线阵列的功率差；

考虑到整流天线阵列的非均匀功率分布的功率差较大，因此选择两种二极管作为整流管设计整流电路。传统的硅基肖特基二极管耐压值相对较低，最佳功率范围往往低于1w，因此选择gan异质结二极管作为第一整流电路的整流管，这款二极管反向击穿电压高达118v。选择传统硅基肖特基二极管作为第二整流电路的整流管，这里采用hsms-286c二极管作为第2区域的整流管，它的零偏压结电容只有0.18pf，适合应用在微波频段。两个整流电路的最佳适用功率范围的并集能够包含所述整流天线阵列的功率范围，且并集的功率差不小于所述整流天线阵列的功率差；

步骤三：根据所述整流电路的最佳适用功率范围，将整流天线阵列划分为不同的功率区域，并确定不同功率区域的基准功率，得到不同功率区域的直流电压；

本优选实例中，根据两个整流电路的最佳适用功率范围，一共有1748个单元划分成第1区域，该区域的基准功率为34dbm，需要412个相同的大功率整流电路即第一整流电路。而整流天线阵列剩下的368个单元也可通过不同的射频合路的方式组合达到40mw到100mw的功率量级，在第二整流电路的最佳适用功率范围内，因此把这368个单元划分成第2区域，该区域的基准功率为17dbm，需要72个相同的小功率整流电路即第二整流电路。

步骤四：根据不同功率区域直流电压的大小关系，确定负载电阻串并联组合方式。

在高频电路仿真软件ads中进行谐波平衡仿真，图4a为第1区域的整流效率与直流电压仿真结果；图4b为第2区域的整流效率与直流电压仿真结果。可用看到基于gan异质结二极管的大功率整流电路在31dbm到37dbm功率范围内效率超过70％，在34dbm功率下的输出直流电压约为25v；而基于hsms-286c肖特基二极管的小功率整流电路在15dbm到18dbm功率下效率也超过70％，在17dbm功率下的直流电压约为4v。

根据这两个功率区域的直流电压的差异和大小关系可以得知，第1区域的直流电压约为第2区域的直流电压的6.25倍。因此可以确定不同功率区域的负载电阻的串并联组合方式：

第2区域每6个负载电阻先串联组合然后与第1区域的负载电阻并联。按照这样的组合方式，会出现以下情形：

此时第2区域所有72个电路的负载电阻全部分配完毕。

最后对实施例的直流功率合成的输出结果进行分析。整流天线阵列的总微波功率为894.08w，采用本发明的整流天线阵列直流功率合成方法以后，阵列输出的总直流功率达到635.69w，整体能量转换效率达到71.1％，采用本发明的非均匀功率分布的整流天线直流功率合成方法拥有较高的整体能量转换效率，整体效率与每个功率区域的效率相接近。

本发明还提供一种非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成系统，如图5所示，其包括，

获取模块501，根据整流天线阵列的非均匀功率分布，得到中心到边缘的功率差；

设计模块502，根据整流天线阵列的功率范围和功率差，设计多个不同最佳适用功率范围的整流电路，所有整流电路最佳适用功率范围的并集能够包含所述整流天线阵列的功率范围，且并集的功率差不小于所述整流天线阵列的功率差；

划分模块503，根据所述整流电路的最佳适用功率范围，将整流天线阵列划分为不同的功率区域；

合成模块504，根据不同功率区域直流电压的大小关系，确定负载电阻串并联组合方式，完成非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成；所述负载电阻串并联组合方式使得从低功率区域与相邻高功率区域的直流电压相差最小。

其中，合成模块，确定负载电阻串并联组合方式时，配置为；第m区域每|t|个负载电阻先串联然后与第m-1区域的负载电阻并联；其中，m为功率区域的数量，其为大于等于2的正整数，vm-1＝t×vm，vm-1和vm分别为第m-1和第m区域的直流电压大小，|t|表示最接近t的整数。

本发明还提供一种计算机设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上任一项所述的非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成方法。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的非均匀功率分布的整流天线阵列直流功率合成方法。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。