一种基于聚焦波的多目标选择性无线输能方法及装置与流程

本方法涉及无线输能技术，具体涉及一种基于电磁聚焦波的多目标选择性无线输能方法及装置。

背景技术

随着物联网应用的快速发展，无线传感器网络与移动设备的能耗问题十分严重。利用无线能量进行电能传输是这种问题的一个潜在的解决方案。现有的无线能量交接技术一般通过线圈或定向天线进行，只能应用于点对点的特定场景。然而，在物联网应用中，可能存在多个功率不等的设备需要充电，如何将无线能量按照所需的比例配送给多个指定的受能目标，是无线输能领域中的一个重要挑战。

时间反演(timereversal,tr)最早在2004年被引入电磁学领域，是一种新型的自适应空间电磁波传输技术，利用该技术可自适应地在位置未知的受能目标处产生电磁“点聚焦”场。例如申请号为201710142293.0的发明专利，公开了一种基于时间反演的分布式无线能量传输方法，利用接收端的信标天线发射电磁波信号，金属丝线阵作为传输载体，运用时间反演，实现了在封闭曲折环境内的能量高效传输。再例如申请号为201010568332.1的发明专利，公开了一种基于时间反演的无线传感器网络节点无线充电系统和方法，其基于短脉冲的宽带tr技术，为无线传感器网络节点进行充电，但是利用tr短脉冲传输能量存在能量传输不稳定、tr物理实现困难等缺陷。

为此，在2016年，发明人李涛，赵德双，郭飞等人提交了一篇申请号为201611006929.0的发明专利，其公开了一种基于聚焦波的微波窄带无线输能方法及装置，利用窄带或单频信号代替短脉冲进行tr输能，成功使tr能量传输变得持续、稳定且易实现，但是，该专利只解决了单目标的无线输能问题，对多目标选择性输能并未给出解决方案。

一篇申请号为201710058090.3的发明专利，公开了一种室内无线输能系统以及无线输能方法，该输能方法解决了传统方法中利用电磁波传播进行无线输能只适用于规则排布单元结构相同的天线组成功率发射阵、单频操作、多目标波束优化时间长、对无需充电设备产生严重干扰、难以保障输能空间中人类、动植物和无需充电的设备的安全问题。但是，该专利中的输能请求信号是一个宽频信号，需要在宽频带内进行复杂耗时的傅里叶变换和时间反演组合运算，才能得到功率发射阵列的宽频激励信号。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明提出一种基于聚焦波的多目标选择性无线输能方法及装置。结合时间反演技术与电磁场线性叠加原理，将聚焦于某一受能目标的tr单点聚焦场视为基本场，通过各个基本场之间的线性叠加，并调整各个基本场的叠加系数，产生预期的tr多点聚焦场。该聚焦场能够将无线能量按照所需的比例以空间点聚焦的方式分配给各个指定的受能目标，且能防止无线能量被其余未指定(或非授权)目标所窃取，可有效解决室内、半开放、封闭舱体等环境下的多目标选择性无线输能问题，还有人体电磁辐射安全和电磁干扰问题。

具体的，根据本申请的一个方面，提供一种基于聚焦波的多目标选择性无线输能方法，其包括如下过程：

系统中存在n个tr天线(编号tr1～trn)以及m个能量收集天线(编号ec1～ecm)，这n个tr天线作为阵元构成一个时间反演镜(timereversalmirror,trm)。在m个能量收集天线中选出m个待充电目标其余m-m个能量收集天线则非授权目标，i1～im可从1～m中取值，且互不相同；

由m个待充电目标依次单独发射窄带或单频的充电请求信号，同时由trm采集各阵元接收信号，一共可以得到分别对应于各待充电目标的m组trm采集信号；

对这些trm采集信号进行时间反演处理(单频时简化为相位共轭实现)，得到分别对应于各待充电目标的m组trm回传信号；

将这m组trm回传信号按照一定的叠加系数进行线性叠加，即可得到最终的合成trm激励信号；

向trm的各个阵元馈入这一信号，即可产生所需的tr多点聚焦场，该聚焦场仅在m个待充电目标处聚焦，而不在其余非授权充电目标位置处产生聚焦。

一般情况下，在产生tr多点聚焦场的线性叠加过程中，各叠加系数可根据实际情况直接快速计算得到，但当聚焦于某一待充电目标的tr单点聚焦场在其余待充电目标处的副瓣大于预设值sll(例如-10db，可根据实际需求调整)时，副瓣场对输能效果的影响不可忽略，此时需要对各叠加系数进行最优化设计。

该多目标选择性无线输能方法具体实现步骤如下：

步骤一：依次单独使用中心频率为f0的窄带或单频信号激励待充电目标发射充电请求信号，同时记录trm的采集信号(共有对应于的m组)；

步骤二：根据已知的充电请求信号，以及已记录的m组trm采集信号，计算出与tr1～trn之间的信道传输函数；

步骤三：对m组trm采集信号作时间反演处理(单频时简化为相位共轭实现)，产生对应于的m组trm回传信号；

步骤四：根据m组trm回传信号以及与tr1～trn之间的信道传输函数，计算出当向trm馈入对应于eck(k＝i1～im)的一组trm回传信号时，待充电节点eck的接收信号幅度为

步骤五：假设待充电目标期望的无线充电信号幅度为需要对m组trm回传信号进行线性叠加得到合成trm激励信号，各叠加系数分别为wk(k＝i1～im)是一个复数，可分解为akexp(i·φk)，其中ak为幅度叠加系数，φk为相位叠加系数；

①tr单点聚焦场在其余待充电目标处的副瓣小于预设值时，副瓣场对输能效果的影响可忽略不计，此时可直接利用预期幅度值，简单快速计算出为

②tr单点聚焦场在其余待充电目标处的副瓣大于预设值时，副瓣场对输能效果的影响不可忽略，此时需对幅度叠加系数和相位叠加系数进行优化设计，使得输能效果满足下列两个指标：1、待充电目标的无线接收信号幅度等于2、trm到的空间能效达到最优(空间能效越高，其余非授权目标窃取的无线能量越少)。将上述两个指标作为优化目标，利用优化算法，如单纯形或遗传进化算法，优化得到最佳叠加系数为

叠加系数的优化除了能提高输能效率外，还可用于压制待充电目标以外区域的能流大小，以减小无线输能系统对人体的电磁辐射危害和对非充电电子设备的电磁干扰。

步骤六：通过计算或优化出的叠加系数得出最终的合成trm激励信号，再将其馈入trm，即可保证待充电目标精准地接收到幅度为的无线接收信号，并尽可能地防止无线能量被其余非授权目标所窃取。

当环境改变或能量接收天线的位置发生变化时，跳转步骤一，再次发射充电请求信号，重新采集信道信息，即可使电磁能量仍在各待充电目标处聚焦，继续维持多目标选择性输能的效果。

根据本申请的另一方面，还提供一种基于聚焦波的多目标选择性无线输能装置，其包括能量收集装置和tr能量发射装置：

能量收集装置包括m个能量收集天线ec1～ecm，用于发射充电请求信号以及接收无线电磁能量；

tr能量发射装置包括n个tr天线tr1～trn，用于接收充电请求信号以及发射tr输能信号，n个tr天线tr1～trn构成时间反演镜trm；

在m个能量收集天线中，令为m个待充电目标，其余的m-m个能量收集天线为非授权目标，其中，i1～im取值范围为1～m；能量收集装置和tr能量发射装置执行如下交互过程：

由m个待充电目标依次单独发射窄带或单频的充电请求信号；

采集时间反演镜trm各阵元的接收信号，得到m组trm采集信号；

对m组trm采集信号进行时间反演操作，得到m组trm回传信号；

将这m组trm回传信号按照预先设定的叠加系数进行线性叠加，得到最终的合成trm激励信号；

向时间反演镜trm的各个阵元馈入trm激励信号，即产生所需的tr多点聚焦场，该聚焦场仅在m个待充电目标处聚焦，而不在其余非授权充电目标位置处产生聚焦。

上述tr能量发射装置中，各tr天线的辐射方向性不受限制，可以是全向、定向以及非定向辐射；而能量收集装置的受能天线则为全向天线，用以接收来自各个不同入射角度方向的电磁波能量。在tr能量发射装置中，tr天线阵元排布可以是任意的，例如方形阵列、长方形阵列、圆形阵列、椭圆阵列等各种线性阵列排布，也可以是球面阵列、椭圆面阵列、正方体表面阵列、长方体表面阵列、多面体表面阵列等各种面阵排布。

本发明采用上述方案，其具有如下有益效果：

(1)本发明采用窄带或单频的充电请求信号和tr输能信号，使tr能量传输变得持续、稳定且易实现，此外，合成trm激励信号的获取直接采用复相量的线性叠加运算进行，避免了采用复杂、耗时的傅里叶变换；

(2)本发明形成的tr多点聚焦场，可将无线能量按照所需的比例配送至多个待充电目标，还能防止无线能量被其余非授权目标所窃取，可有效解决室内、半开放、封闭舱体等环境下的多目标选择性无线输能问题，还有人体电磁辐射安全和电磁干扰问题；

(3)本发明通过不间断地重新发射充电请求信号，采集信道信息，即可实现移动充电；

(4)本发明中当tr单点聚焦场的副瓣对输能效果的影响可忽略时，tr多点聚焦场的激励可经由简单的计算快速得出，这在信道环境快速变化的移动充电应用中具有非常大的优势。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1为本发明实例的系统结构示意图；

图2为本发明所述能量收集装置的结构框图；

图3为本发明所述tr能量发射装置的结构框图；

图4为本发明实例中收发天线无线链路的仿真模型；

图5a为本发明实例的无线输能过程中，不优化叠加系数的电场分布示意图；

图5b为优化叠加系数后仿真得到tr多点聚焦场的t形电场分布；

图6为本发明实例的无线输能实验，使用无线能量点亮led形成t形显示图案的效果。

具体实施方式

下面将参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

本发明提供一种基于聚焦波的多目标选择性无线输能方法及装置，其装置的系统结构示意图如图1所示。本实例的系统中包括9个能量收集天线(从左到右从上到下编号ec1～ec9)和16个tr天线(从左上顶点顺时针编号tr1～tr16)。全部天线均采用中心频率2.45ghz、带宽500mhz的贴片单极子天线，且分别与一些其他器件构成了能量收集装置和tr能量发射装置。16个tr天线以12cm的间距等距地围成一个边长为48cm的正方形，构成时间反演镜(timereversalmirror,trm)，9个能量收集天线则位于trm围成的平面区域内部(呈九宫格排布，格点间距半波长)。为增加无线效率，将收发天线的辐射贴片部分均置于一个60cm×60cm×15cm的金属混响腔中，同轴端口则露出在外(方便馈电)。为方便拆装，金属混响腔留有一定空隙。

本实例中，选择ec1,ec2,ec3,ec5,ec8这5个能量接收天线作为待充电目标，按照功率1:1:1:1:1的比例输送能量，剩余的4个能量接收天线ec4,ec6,ec7,ec9则为非授权目标。当然，其待充电目标的数量可以是1个或者多个，不限于5个。

能量收集装置的结构框图如图2所示，具体包括：能量收集天线ec1～ec9，用于发射充电请求信号以及接收来自trm的无线电磁能量；单频信号源osc1～osc9，用于产生单频2.45ghz的充电请求信号；负载load1～load9，各个能量收集装置的负载，由直流驱动；整流装置pru1～pru9，用于将能量收集天线ec1～ec9接收到的高频电流转换成直流，并提供给负载load1～load9；开关s1～s9，用于切换能量收集天线ec1～ec9与单频信号源osc1～osc9或整流装置pru1～pru9之间的连接；控制中心occ_r1～occ_r9，与tr能量发射装置的控制中心occ_t进行通信交互，控制开关s1～s9的切换。

tr能量发射装置的结构框图如图3所示，具体包括：tr天线tr1～tr16(构成trm)，用于接收来自待充电目标的充电请求信号以及发射tr输能信号；带通滤波器bpf1～bpf16，用于滤除频率不为2.45ghz的杂波；检波器ed1～ed16，用于检测tr天线接收到充电请求信号的幅度；鉴相器pd1～pd16，用于检测tr天线接收到充电请求信号的相位；微波功率源mpc，用于产生单频2.45ghz的输能功率信号；16路等功率分配器epd，用于将微波功率源mpc产生的功率信号等功率地分为16路，每一路信号的幅度与相位均相同；功率放大器pa1～pa16，用于放大2.45ghz单频信号；移相器ps1～ps16，用于改变2.45ghz单频信号的相位；开关k1～k16，用于切换带通滤波器bpf1～bpf16与检波器ed1～ed16、鉴相器pd1～pd16或移相器ps1～ps16的连接；控制中心occ_t，与能量收集装置的控制中心occ_r1～occ_r9进行通信交互，处理来自检波器ed1～ed16和鉴相器pd1～pd16的信息，进行计算与优化操作，更改功率放大器pa1～pa16的放大倍数a1～a16以及移相器ps1～ps16的相移p1～p16。

该装置执行无线输能步骤如下：

步骤一：依次单独激励所有待充电目标，并记录trm采集信号。

首先单独激励待充电目标ec1，并记录此时的trm采集信号，具体操作分4小步：

①occ_r1控制s1使得ec1与osc1相连，occ_r2～occ_r9控制s2～s9使得ec2～ec9与pru2～pru9相连，使ec1发射充电请求信号(本发明中，所有信号均采用只包含幅度与相位信息的复相量形式表示)；

②发射充电请求信号后，occ_t控制k1～k16使得bpf1～bpf16与ed1～ed16相连，记录trm采集信号的幅度信息

③幅度信息采集完毕后，occ_t控制k1～k16使得bpf1～bpf16与pd1～pd16相连，记录trm采集信号的相位信息

④幅相信息均采集完毕后，对应于待充电目标ec1的一组trm采集信号可记为其中

然后，按照同样的方式依次单独激励ec2,ec3,ec5,ec8，仍然发射充电请求信号x，记录分别对应ec2,ec3,ec5,ec8的4组trm采集信号；

最后当全部trm采集信号被记录完毕后，occ_t控制k1～k16使得bpf1～bpf16与pa1～pa16相连，并通知occ_r1～occ_r9，由occ_r1～occ_r9控制s1～s9使得ec1～ec9与pru1～pru9相连。

步骤二：对已记录的信息进行处理。

具体操作分3小步：

①根据式(1)计算待充电目标eci(i＝1,2,3,5,8)与tr天线trj之间的信道传输函数hj,i；

②根据式(2)计算聚焦于eci的trm回传信号

③根据式(3)计算若将trm回传信号馈入trm时待充电目标eck的接收信号其中(k＝1,2,3,5,8)。

步骤三：计算或优化出叠加系数。

已知待充电目标eck(k＝1,2,3,5,8)期望的无线充电信号幅度为假设5个基本场的叠加系数分别为w1,w2,w3,w5,w8，合成trm激励信号可由式(4)计算出，若将该信号馈入trm，待充电目标eck的接收信号为zk可由式(2)计算出。

①tr单点聚焦场在其余待充电目标处的副瓣小于sll(-10db)时，可忽略副瓣场对输能效果的影响，视式(5)被简化为式(6)，wk直接设置为即可，记为那么

②在本实例中，相邻能量收集天线的间距仅为半个工作波长，tr单点聚焦场在其余待充电目标处的副瓣远大于sll(-10db)，需要对叠加系数w1,w2,w3,w5,w8进行优化设计，使式(7)中的功率偏离量δp尽可能小而式(8)中的空间能效η尽可能大，其物理意义为使得待充电目标精准地得到自身期望的充电功率，并尽可能地提高充电效率(效率越高，被窃取的能量越少)。最终优化出的最佳叠加系数为

步骤四：产生合成trm激励，并馈入trm，形成多点聚焦场。

具体操作分2小步：

①本实例中，叠加系数由优化得出，最佳的合成trm激励可由式(9)计算；

②occ_t控制并改变pa1～pa16的放大倍数a1～a16与ps1～ps16的相移p1～p16，使得tr1～tr16能发射幅度相位的正弦波；

步骤五：无线能量的接收。

tr多点聚焦场将同时聚焦于待充电目标ec1,ec2,ec3,ec5,ec8处，它们将高强度的空间电磁波转换为高频电流，然后经过整流电路pru1,pru2,pru3,pru5,pru8转换为直流并为load1,load2,load3,load5,load8供电。各待充电目标的负载得到预期的接收功率，而其余非授权目标则几乎没有能量接收。

当环境改变或能量收集天线的位置发生变化时，跳转步骤一，再次发射充电请求信号，重新采集无线信道信息，即可使电磁能量仍在各待充电目标处聚焦，继续维持多目标选择性输能的效果。

按照图4的模型对本实例的收发无线链路部分进行仿真，结果如图5所示，图5(a)为不优化叠加系数的电场强度分布，图5(b)为优化叠加系数后的电场强度分布，显然，优化叠加系数后场的均匀性得到大幅度提高(本实例无线功率按1:1:1:1:1分配)，而未被选定的目标位置场的强度被极大地抑制，而且因为将原本可能被窃取的无线能量重新收集并输送至待充电目标，收发天线间的空间能效从50.95％增至74.8％。图6则给出了优化叠加系数的实验结果，实物按照仿真模型1:1设计。

在本实例中，16个tr天线等间距地围成一矩形，构成trm，9个能量收集天线以九宫格的形式排列，置于trm所围区域内部。但在实际应用中tr天线和能量收集天线可以按圆形，椭圆形，三角形等方式排布，也可以非等间隔排布，甚至可以随意摆放位置。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明权利要求的保护范围。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。