一种单对多的多频无线输能方法和系统与流程
本发明涉及无线输能技术领域，具体涉及一种单对多的多频无线输能方法和系统。
背景技术
无线输能是当前能量传输领域的一个研究前沿，也是近年来备受科学界和产业界关注的一个研究热点。现有的无线输能技术主要有线圈输能、定向天线输能、时间反演(timereversal,tr)阵列输能等。
上述输能方式中，线圈输能的技术最为成熟，已有商用化产品面世，例如基于qi标准的手机无线充电垫，但由于传输距离过短(一般在cm量级)，只有将手机平放在充电垫上才能为其充电，相比于有线输能，便利性的提升并不明显，且应用场景局限性大。定向天线输能通过高定向性的收发天线输送交换能量，传输距离极远，甚至可用于实现太空对地输能，但是收发天线需要严格对准且口径面大，输能设备需要额外加载定位模块，接收设备难以小型化。而且，传输路径上的高强度电磁波束，对人体、生物体、其他无需充电设备会造成潜在的电磁辐射危害。tr阵列输能是在近几年来发掘的新技术，通过调整tr阵列中各发射阵元的馈电波形，能够自适应地将电磁能量以“空间点聚焦”的形式输送至受能设备，无需额外的追踪、定位设备，且不需担忧电磁辐射安全问题。但是，该方法需求的tr发射阵元数较多，且各空间分离tr发射阵元间的无线发射同步问题尚未解决，物理实现的难度大、成本高。
技术实现要素：
本发明提供一种单对多的多频无线输能方法和系统，用于解决封闭、半封闭舱体环境下采用单个发射输能设备实现低成本、高能效的多目标无线输能问题。
本发明第一方面，提供一种单对多的多频无线输能方法，用于包括一个输能发射装置和多个受能装置的系统，所述方法包括：
首先，检测并选取工作频段内能够获得高输能效率的若干个输能频点；然后，所述输能发射装置产生包含所述若干个输能频点的多音输能信号，并将其辐射出去；最后，所述多个受能装置将各自接收到的多音信号整流为直流，实现单对多的无线能量传输。
在第一种可能的实现方式中，所述所述检测并选取工作频段内能够获得高输能效率的若干个输能频点包括：检测所述输能发射装置在工作频段范围内发送不同频点的单音信号时所述系统的输能效率，选择输能效率排名靠前的若干个频点作为输能频点。
结合第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，检测所述输能发射装置在工作频段范围内发送不同频点的单音信号时所述系统的输能效率，包括：所述输能发射装置向周围空间逐一发送工作频段内不同频点的单音信号；获取不同频点下所述多个受能装置各自的无线接收信号幅度；根据获取的接收信号幅度计算所述系统在不同频点下的输能效率，所述输能效率是指所述多个受能装置的无线接收总功率与所述输能发射装置的无线发射功率之比。
结合第一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述选择输能效率排名靠前的若干个频点作为输能频点，包括：将不同频点下所述系统的输能效率与设定的阈值进行比较，在输能效率大于阈值的频点中选取若干个作为输能频点。
在第四种可能的实现方式中，所述输能发射装置产生包含所述若干个输能频点的多音输能信号包括：所述输能发射装置产生处于所述若干个输能频点的单音信号；按照一定的幅度加权，所述输能发射装置将所述若干个单音信号合成为一个多音的输能信号，使所述受能装置各自获得期望的无线接收功率。
本发明第二方面提供一种单对多的多频无线输能系统，其特征在于，包括一个输能发射装置和多个受能装置，其中，所述输能发射装置，用于检测并选取工作频段内能够获得高输能效率的若干个输能频点，产生包含所述若干个输能频点的多音输能信号，并将所述多音输能信号辐射出去；所述多个受能装置，用于将各自接收到的多音输能信号整流为直流，实现单对多的无线能量传输。
在第一种可能的实现方式中，所述受能装置包括：信号接收单元，用于接收工作频段内的单音信号或多音信号；信号检测单元，用于检测受能装置无线接收信号的幅值；信号控制单元，用于将受能装置检测到的接收信号幅值通知输能发射装置；所述输能发射装置包括：信号产生单元，用于产生工作频段内不同频点的单音信号；信号合成单元，用于将处于所述若干个输能频点的单音信号合成为一个多音的输能信号；信号发射单元，用于将信号产生单元产生不同频率的单音信号逐一向周围空间发送出去。
在第二种可能的实现方式中，所述输能发射装置还包括：控制单元，根据受能装置检测到的接收信号幅度，计算所述输能发射装置在工作频段范围内发送不同频点的单音信号时所述系统的输能效率，选择输能效率高于阈值的若干个频点作为输能频点，其中所述输能效率是指所述多个受能装置无线接收总功率与所述输能发射装置无线发射功率之比。
在第三种可能的实现方式中，所述输能发射装置中，所述信号产生单元，还用于同时产生多路处于所述输能频点的单音信号；；所述信号发射单元，还用于向周围空间辐射经由信号合成单元合成的多音输能信号；所述控制单元，还用于确定合成多音信号时，处于所述若干个输能频点的单音信号的幅度加权，使得所述多个受能装置各自获得期望的无线接收功率；所述信号合成单元，具体用于按照控制单元确定的幅度加权，将处于所述若干个输能频点的单音信号合成为一个多音的输能信号。
在第四种可能的实现方式中，所述受能装置中，所述信号接收单元，还用于将受能装置接收的多音信号整流为直流供给负载。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
(1)本发明采用多音信号作为输能波，相比宽带信号，产生方法简单；
(2)本发明只需一个输能发射装置，实现对多个受能装置的并行输能，且能分别配送指定的充电无线功率，实现成本低、装置简单；
(3)本发明采用的多音信号由多个高输能效率的单音信号组成，能够有效解决封闭、半封闭舱体环境下的高效无线输能问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例和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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例中单对多的多频无线输能系统的架构示意图；
图2是本发明一个实施例中单对多的多频无线输能方法的流程示意图；
图3是本发明一个实施例中受能装置的结构示意图；
图4是本发明一个实施例中输能发射装置的结构示意图；
图5是本发明一个应用场景实例中输能发射装置的结构框图；
图6是本发明一个应用场景实例中受能装置的结构框图；
图7是本发明一个应用场景实例中单对多的多频无线输能系统的模型图；
图8是本发明一个应用场景实例中输能效率与输能频率的关系曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
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。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。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面通过具体实施例，分别进行详细的说明。
本发明实施例提供一种单对多的多频无线输能方法和系统及输能发射装置。
请参考图1，单对多的多频无线输能系统，包括一个输能发射装置01和多个受能装置02，所述受能装置例如可以用户设备如手机等。
请参考图2，本发明一个实施例，提供一种单对多的多频无线输能方法，所述方法可包括：
s1：首先，检测并选取工作频段内能够获得高输能效率的若干个输能频点；
s2：然后，所述输能发射装置产生包含所述若干个输能频点的多音输能信号，并将所述多音输能信号辐射出去；
s3：最后，所述多个受能装置将各自接收到的多音信号整流为直流，实现单对多的无线能量传输。
可选的，步骤s1具体可以包括：检测所述输能发射装置在工作频段范围内发送不同频点的单音信号时所述系统的输能效率，选择输能效率排名靠前的若干个频点作为输能频点。
可选的，所述检测所述输能发射装置在工作频段范围内发送不同频点的单音信号时所述系统的输能效率，可包括：所述输能发射装置向周围空间逐一发送工作频段内不同频点的单音信号；获取不同频点下所述多个受能装置各自的无线接收信号幅度；根据获取的接收信号幅度计算所述系统在不同频点下的输能效率，所述输能效率是指所述多个受能装置的无线接收总功率与所述输能发射装置的无线发射功率之比。
可选的，所述选择输能效率排名靠前的若干个频点作为输能频点，可包括：将不同频点下所述系统的输能效率与设定的阈值进行比较，在输能效率大于阈值的频点中选取若干个作为输能频点。
可选的，所述输能发射装置产生包含所述若干个输能频点的多音输能信号，包括：所述输能发射装置产生处于所述若干个输能频点的单音信号；按照一定的幅度加权，所述输能发射装置将所述若干个单音信号合成为一个多音的输能信号，使所述多个受能装置各自获得期望的无线接收功率。
如上所述，本发明一个实施例技术方案中：首先，输能发射装置向周围空间逐一发送不同频率的单音信号，同时检测并记录在不同频率下多个受能装置各自的接收信号幅度；然后，根据记录数据，计算并选出若干个输能效率高于预设阈值的输能频点；最后，按照一定的幅度加权，将处于这若干个输能频点的单音信号合路成一个多音的输能信号，并由输能发射装置将其辐射出去，同时为多个受能装置充电。该方案只需一个输能发射装置，即可对多个目标充电，实现成本低、装置简单，能够有效解决封闭、半封闭舱体环境下的高效无线输能问题。
本发明实施例技术方案的基本思路为：
如图1所示，系统存在1个输能发射装置、m个受能装置，其中，m为正整数。输能发射装置设有输能天线，受能装置设有受能天线，输能天线与受能天线的带宽均为[fl,fh]。
首先，将[fl,fh]划分为离散的f个频点f1,f2，l,ff，f为正整数，由输能发射装置的输能天线将处于这f个频点的单音信号逐个发射出去，同时检测并记录m个受能装置的受能天线的接收信号幅度。
其次，根据记录数据，计算不同频率/频点下的输能效率，即m个受能天线接收总功率与输能天线发射功率之比。在封闭与半封闭的腔体环境下，频率对输能效率的影响极大，从中选取输能效率大于阈值的n个输能频点，依次记为
若通过单音信号输送能量，各受能天线获得的能量配比随信道环境变化，不固定且不易控制，很难适配其自身要求。因此，优选的，按照一定的幅度加权，将选定输能频点的单音信号合路成一个多音的输能信号，最后由输能天线将其发射出去，既能获得较高的输能效率，又能使各受能目标得到自身期望的充电功率。
在一个具体实施例中，本发明提出的一种单对多的多频无线输能方法，可包括以下步骤：
步骤一：提取不同频点下的各受能天线的接收信号幅度。
输能天线依次向周围空间发送幅度为a0、频率分别为f1～ff的单音信号，同时检测m个受能天线的接收信号幅度，其中受能天线i(i＝1～m)在各个频率fj(j＝1～f)下的接收信号幅度记为ai(fj)。
步骤二：计算并选取输能频点。
使用频率fj的单音信号输能时，输能效率η(fj)可由式(1)计算。从频率f1～ff中选取出输能效率大于εth(预期设定的输能效率阈值)的n个输能频点
步骤三：确定合成多音信号时处于各输能频点的单音信号的幅度加权。
处于输能频点f1～ff的单音信号的幅度加权记为a1～an(对应的单音信号幅度分别为a1a0～ana0)，按照此幅度加权，将这些单音信号合成为多音信号，再将其由输能天线发射出去。受能天线i接收到的多音信号功率pi可由式(2)计算，式中k＝1～n，z0为受能天线阻抗。为使受能天线1～m分别获得期望的充电无线功率
步骤四：采用多音信号，进行无线输能。
按照优化出的幅度加权
minδp(a1,a2,l,an)
以上，对本发明实施例的单对多的多频无线输能方法进行了说明。
为便于实施上述方法，本发明实施例还提供相应的装置/系统。
本发明一个实施例提供一种单对多的多频无线输能系统，如图1所示，包括一个输能发射装置和多个受能装置；
所述输能发射装置01，用于检测并选取工作频段内能够获得高输能效率的若干个输能频点；产生包含所述若干个输能频点的多音输能信号，并将所述多音输能信号辐射出去；
所述多个受能装置02，用于将各自接收到的多音输能信号整流为直流，实现单对多的无线能量传输。
其中，所述受能装置请参考图3，可包括：
信号接收单元11，用于接收工作频段内的单音信号或多音信号；
信号检测单元12，用于检测受能装置无线接收信号的幅值；
信号控制单元13，用于将受能装置检测到的接收信号幅值通知输能发射装置；
一种实施方式中，所述信号接收单元还包括将受能装置接收的多音信号整流为直流供给负载。
其中，所述输能发射装置请参考图4，可包括：
信号产生单元21，用于产生工作频段内不同频点的单音信号；
信号合成单元22，用于将所述若干个输能频点的单音信号合成为一个多音的输能信号。
信号发射单元23，用于将信号产生单元产生不同频率的单音信号逐一向周围空间发送出去。一种实施方式中，所述的输能发射装置还包括：
控制单元24，根据受能装置检测到的接收信号幅度，计算所述输能发射装置在工作频段范围内发送不同频点的单音信号时所述系统的输能效率，选择输能效率高于阈值的若干个频点作为输能频点,其中所述输能效率是指所述多个受能装置无线接收总功率与所述输能发射装置无线发射功率之比。
一种实施方式中，所述信号产生单元21，还用于同时产生多路处于所述输能频点的单音信号；所述信号发射单元23，还用于向周围空间辐射经由信号合成单元合成的多音输能信号；所述控制单元24，还用于确定合成多音信号时，处于所述若干个输能频点的单音信号的幅度加权，使得所述多个受能装置各自获得期望的无线接收功率。
一种实施方式中，所述信号合成单元22，具体用于按照控制单元确定的幅度加权，将处于所述若干个输能频点的单音信号合成为一个多音的输能信号。
一种实施方式中，所述信号接收单元11，还用于将受能装置接收的多音信号整流为直流供给负载。
以上，对本发明实施例的单对多的多频无线输能系统进行了说明，关于该系统的更详细的说明，请参考前文对于单对多的多频无线输能方法的描述。
综上，基于以上方案，本发明实施例取得了以下有益效果：
(1)本发明采用多音信号作为输能波，相比宽带信号，产生方法简单；
(2)本发明只需一个输能天线，实现对多个受能用户的并行输能，且能分别配送指定的充电无线功率，实现成本低、装置简单；
(3)本发明采用的多音信号由多个高输能效率的单音信号组成，能够有效解决封闭、半封闭舱体环境下的高效无线输能问题。
下面，结合具体的应用场景，在更具体的实施例中，对本发明实施例的技术方案进行进一步详细的说明。
本应用场景实施例中，单对多的多频无线输能系统的结构示意图如图1所示，其中输能发射装置只有1个，受能装置有5个。输能发射装置至少包含1个输能天线，4个压控振荡器，1个合路器，和4个放大器，受能装置至少包含1个受能天线、1个检波器、1个整流器和1个负载。输能天线与受能天线均工作于封闭区域。
输能发射装置的结构框图如图5所示，具体包括：4个压控振荡器vco1～vco4，用于产生2.2～2.7ghz的单音信号；输能天线ta，中心频率2.45ghz，带宽500mhz，用于发送2.2～2.7ghz的单音或多音信号；4个放大器pa1～pa4，用于将4路不同频率的单音信号进行放大；合路器sum，用于将4路不同频率的单音输入信号合路成一路多音信号输出；开关k1～k4，控制压控振荡器vco1～vco4与放大器pa1～pa4的连接的通断；控制中心occ_t，与受能装置的控制中心occ_r1～occ_r5进行通信交互，控制开关k1～k4的切换，控制放大器pa1～pa4的放大倍数。
前文所述输能发射装置中，所述的信号产生单元21，具体可以是所述压控振荡器；所述信号合成单元22，具体可以是所述合路器，放大器；所述信号发射单元23，具体可以是所述输能天线；所述控制单元24，具体可以是所述控制中心。
受能装置i(i＝1～5)的结构框图如图6所示，具体包括：受能天线rai，中心频率2.45ghz，带宽500mhz，用于接收2.2～2.7ghz的单音或多音信号；检波器edi，用于检测rai接收单音信号的幅度；负载loadi，受能装置i的负载，由直流驱动；整流器prui，用于将rai接收的多音信号转换为直流，并为负载供电loadi；开关si，切换rai的连接状态：与edi或prui相连；控制中心occ_ri，与输能发射装置的控制中心occ_t进行通信交互，接收来自检波器edi的信息，控制开关si的切换。受能装置i可以是多个受能装置中的任一个。
前文所述受能装置中，所述的信号接收单元11，具体可以是所述受能天线，整流器和负载；所述的信号检测单元12，具体可以是所述检波器；所述的控制单元13，具体可以是所述控制中心。
本实例将对5个受能天线按照1:1:1:1:1的比例进行无线输能，具体执行步骤如下：
步骤一：提取不同频点下的各受能天线的接收信号幅度。
具体分为4小步：
①将2.2～2.7gh按照0.5mhz的频率间隔划分为1001个频点f1～f1001，设置一初值为1的变量j。输能发射装置的occ_t控制开关k1连通，k2～k4断开，受能装置的occ_r1～occ_r5切换开关s1～s5使得受能天线ra1～ra5与检波器ed1～ed5相连；
②输能发射装置的occ_t控制压控振荡器vco1产生频率为fj＝2200mhz+0.5mhz×(j-1)的单音信号，并控制放大器pa1将其幅度放大至a0；
③受能装置的occ_r1～occ_r5读取检波器ed1～ed5的数据，记受能天线ra1～ra5的接收信号幅度为a1(fj)～a5(fj)；
④若j<1001，令j＝j+1，并返回本步骤第②小步，否则，直接下一步骤。
步骤二：计算并选取输能频点
使用频率fj的单音信号输能时，输能效率η(fj)可由式(5)计算。从2.2～2.7ghz中选取出输能效率大于60％的4个输能频点
步骤三：确定合成多音信号时，处于各输能频点的单音信号的幅度加权。
处于输能频点
步骤四：采用多音信号，进行输能。
具体分为3小步：
①输能发射装置的occ_t控制开关k1～k4均连通；
②输能发射装置的occ_t控制压控振荡器vco1～vco4使其各自产生频率分别为
③受能装置的occ_r1～occ_r5切换开关s1～s5使得受能天线ra1～ra5与整流器pru1～pru5相连，此时ra1～ra5接收到多音信号的功率为
minδp(a1,a2,l,a4)
按照图7的模型对本实例的收发无线链路部分进行仿真，1个输能天线ta和5个受能天线ra1～ra5均采用全向的贴片单极子天线，中心频率2.45ghz，带宽500mhz，尺寸为24mm×10mm×1.5mm，天线的辐射贴片部分均置于一个60cm×60cm×15cm的金属盒中，同轴端口则露出在外，方便馈电。
仿真结果显示，使用单音信号进行输能时，输能效率η(f)与输能频率f的关系曲线如图8所示，选取图中
测试结果如表1所示，受能天线ra1～ra5的接收功率分别为10.07mw，9.95mw，10.07mw，9.95mw，9.95mw，满足要求的1:1:1:1:1的比例，且输能天线到受能天线的输能效率高达70.07％。
表1
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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