CN106712310A - 一种基于时间反演的分布式无线能量传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了涉及电磁波输能领域，具体公开了一种基于电磁时间反演的封闭曲折环境中的远距离的分布式无线输能方法，包括以下步骤：接收端的发生器产生电磁波信号，接收端的信标天线发射该电磁波信号，信标天线发射的电磁波信号借助布置在曲折环境内的金属丝线阵高效地传输，曲折环境内的分布式天线阵列接收到金属丝传递的电磁波信号并传递给信号反转器件，信号反转器件对电磁波信号进行时间反演，再传递给放大器进行放大操作，接着分布式天线阵列发射电磁波信号并在接收终端处产生聚焦。本申请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。

Description

一种基于时间反演的分布式无线能量传输方法

技术领域

本发明属于电磁波无线能量输送领域，更为具体地说，涉及一种基于电磁时间反演的封闭曲折环境中的远距离的分布式无线输能方法。

背景技术

所谓输能，即是对用电设备进行能量输送，如有线电视的供电线供电，电动牙刷的感应式充电等。随着社会的不断发展以及人们对于能量的及时性的需求，无线输能开始被提出。无线输能方式，大致包括三种：电磁波远场能量输送，谐振耦合输能，电磁感应耦合输能。

谐振耦合输能是指在两处具有相同频率的装置，可以通过共振交换能量，实现无线能量的输送。这种方法的优点是能量传输功率高，缺点是装置的尺寸一般较大，传输效率较低，较难达到实际运用的目的。

电磁感应耦合输能是通过线圈与线圈之间的感应实现能量传递，即主线圈的电流等变化会使空间中的电磁波随时间变化，从而在次级线圈产生感应电流，实现无线能量输送。这种方法的优点是传输效率较高，但由于是通过变化的电磁场传递能量，一般电磁干扰比较严重。

电磁波远场能量输送即是以电磁波为载体，通过发射端发射电磁波，接收端接收到电磁波后通过一系列后续处理，实现在发射装置与接收装置之间传递能量。这种方法的优点是无须线缆等多余设备辅助，节省空间。

近些年来，也有研究者提出了金属丝有利于电磁波传播,但是只是采用在理想的传播空间中进行研究，对于金属丝线阵在曲折空间环境中如何提高输能效果并无相关研究；同时现有的研究大多只是将金属丝随机分散在传播空间，并没有针对金属丝更加有效或充分的增加输能效果进行研究。

时间反演是一种新型的电磁波传播与控制方法；时间反演需要在包围源的封闭曲面上布满电磁波信号接收器，该接受装置称为TRM；TRM接收到源发射的电磁波信号后进行时间反演，再重新发射，重发射的电磁波信号在发射源的附近再实现空间与时间的聚焦；在无线电磁波输送能量方面，通过利用时间反演的空时聚焦特性，无线输能已经取得了较大的进步，研制出了一系列的站列式时间反演镜系统，这种方法较之于以前，能量传递效率已经有了较大的提高，但缺点是天线阵周围辐射较大以及在较为封闭曲折的场地不易使用。

其中时间反演包括分布式天线阵列以及时间反演模块(一般采用信号反转器件实现信号的反演)，分布式天线阵列也称天线阵，它是由许多相同的单个天线(如对称放置的偶极子天线)排列组成的天线系统。单个天线的方向图不易控制，增益不高，其他参量往往也不能满足使用要求，所以在某些应用场合(例如雷达天线等)需要使用阵列天线。阵列天线的各组成天线单元应有一定的排列规律和馈电方式，以获得所要求的功能。按单元排列可分为线阵和面阵。最常用的线阵是各单元的中心依次等距排列在一直线上的直线阵。线阵的各单元也有不等距排列的，各单元中心也可以不排列在一直线上，例如排列在圆周上。阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各个单元的辐射场的总和(矢量和)由于单元各个位置和馈电电流的振幅和相位均可以调整，从而实现高效的传输。分布式天线阵列采用分布式放置，在封闭曲折环境中使用，可将功率分散，让单个天线承受较低的功率，实现远距离的输送，同时保持较高的无线输能效率。

现有自动化控制设备使用十分广泛，并且很多自动化控制设备处于封闭空间，不容易拆卸；那么当装置需要能量时，则十分的不方便；同时在封闭曲折环境中进行传能时，由于曲折环境中的空间限制以及复杂的电磁传输环境，导致传输效率低下，这给应用于封闭曲折环境中的装置的能量供应造成了极大的不便。所以，研究出一种分布式远距离能量传输的技术，用于提高封闭曲折环境中的远距离无线能量传输的效率，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于：针对由于电磁波在曲折环境中的空间限制以及复杂的电磁环境中传输而导致传输效率降低的问题，本发明提供了一种在曲折结构中也能实现高效传输的基于时间反演的分布式无线能量传输方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于时间反演的分布式无线能量传输方法，包括以下步骤：

(1)：封闭曲折环境中的接收端的发生器产生电磁波信号并传递给信标天线，信标天线接收到发生器传递的电磁波信号并传递给金属丝线阵，金属丝线阵传递接收到信标天线传递的电磁波信号并传递给分布式天线阵列；

(2)：分布式天线阵列接收到金属丝线阵传递的电磁波信号再传递给信号反转器件，信号反转器件将接收到的电磁波信号作为能量信号进行反演操作，得反演电磁波信号，信号反转器件将反演电磁波信号传递给放大器；放大器接收到反演电磁波信号并对其进行放大处理，得到放大电磁波信号，放大器将放大电磁波信号传递给分布式天线阵列，分布式天线阵列接收到放大器传递的放大电磁波信号并传递给金属丝线阵；其中分布式天线阵列具有分散电磁波信号并传递的作用；

(3)：金属丝线阵接收到分布式天线阵列传递的电磁波信号并传递到接收端，并在接收端处产生聚焦，得到聚焦电磁波信号。最终分布式天线阵列传递的电磁波信号在接收端聚焦，实现传能。

接收端的信标天线处的装置没有能量后，信标天线发射电磁波信号到所处的曲折环境中，在金属丝线阵的渠化作用下，电磁波信号高效率地到达分布式天线阵列，分布式天线阵列处接收到电磁波信号后，电磁波信号通过信号反转器件在时间上进行反转，然后在放大器的作用下，被反转处理的电磁波信号被放大，再经过分布式天线阵列发射，再通过金属丝线阵的作用，电磁波信号高效率地在达接收端的信标天线处聚焦，实现无线输能；时间反演镜(TRM)包括分布式天线阵列，信号反转器件以及放大器，本申请通过时间反演以及在空间中增加金属丝线阵实现了电磁波信号在曲折空间中的高效传输，在曲折空间中的无线传能对于现有的自动化控制设备等有重要意义。

可选地，分布式天线阵列是全向天线或定向天线。可以根据电磁波信号的具体的传播来选用；定向天线可以让电磁波信号发射口对准金属丝线阵，更利于传播，相对会减少电磁波信号的损失。

优选地，分布式天线阵列分布在金属丝线阵的中心。中心磁场最强，电磁波信号沿四周的金属丝传递，能更好的实现电磁波信号的高效传输。

优选地，金属丝线阵平均长度是电磁波半波长的整倍数。当金属丝线阵平均长度是电磁波半波长的整倍数时，谐振效果更明显，渠化作用(电磁波沿着金属丝线阵传播)效果更佳。

具体地，信号反转器件通过有线传递与放大器连接，分布式天线阵列通过有线传递分别与信号反转器件和放大器连接。分布式天线阵列发射的信号直接通过传输线到信号反转器件，信号反转器件处理后再通过传输线直接将处理后的电磁波信号传递到放大器，放大器再通过传输线直接将电磁波信号传递到分布式天线阵列。放大器与信号反转器件的位置设置并没有要求。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明利用位于封闭曲折结构中接收端的发生器产生电磁波信号，接收端的信标天线发射探测电磁波信号，借助金属丝线阵传输，由分布式天线阵列接收电磁波信号，信号反转器件对电磁波信号进行时间反演操作，放大器再对电磁波信号进行放大处理，最后由分布式天线阵列发射处理后的电磁波信号，电磁波信号在接收端的信标天线处聚焦，同时在曲折空间中，借助金属丝线阵以及时间反演来提高电磁波信号传递的效率，实现了电磁波信号在曲折结构中的高效传输。

2.分布式天线阵列是全向天线或定向天线；根据输能需要，灵活应用。分布式天线阵列具有聚焦性好、损耗小、输能效率高的优点。

3.当金属丝线阵长度是电磁波半波长的整倍数时，能到达谐振，渠化(电磁波沿着金属丝线阵传播)效果更佳。

4.当分布式天线阵列分布在金属丝线阵的中心时，中心磁场最强，电磁波的损耗相对减少，电磁波沿四周的金属丝传递，能更好的实现电磁波信号的高效传输。

5.分布式天线阵列发射的信号直接通过传输线传递到信号反转器件，信号反转器件处理后再通过传输线直接将处理后的电磁波信号传递到放大器，放大器再通过传输线直接将电磁波信号传递到分布式天线阵列。有线传输相对损耗较小，传输可控性更强。

附图说明

图1为本申请的基本结构图；

图2为本申请不带腔体的基本结构图；

图3为本申请接收端的信标天线发射的电磁波信号波形；

图4为本申请未加载金属丝线阵时分布式天线阵列接收电磁波信号与加载金属丝线阵时分布式天线阵列接收电磁波信号包络对比图；

图5为本申请反演操作后的未加载金属丝线阵时分布式天线阵列所接收到的电磁波信号与加载金属丝线阵时分布式天线阵列所接收到的电磁波信号包络对比图；

图6为本申请接收端的信标天线未加载金属丝线阵与加载金属丝线阵时接收到的聚焦电磁波信号对比图；

图中标记：1-分布式天线阵列；1-1-第一分布式天线；1-2-第二分布式天线；2-信标天线；3-金属丝线阵；5-腔体。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1至图6对本发明作详细说明。

为了使本发明的目的、技术方案更加明确，接下来结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。本发明的实施方式包括但不限于以下实施例。

本实施例采用分布式天线阵列1；设置分布式天线阵列1的接收天线数量包括两个，分别是第一分布式天线1-1，第二分布式天线1-2；所用电磁波信号为4.9-5.1GHz，则中心频率计算平均值为5Ghz；根据λf＝c(c为光速)，可以算出波长为6cm，半波长为3cm，则得到中心频率半波长为3cm，第一分布式天线1-1和第二分布式天线1-2采用同一类偶极子天线(用来接收和发射固定频率电磁波信号；同时呈管道模型)，管道模型包含在160cm*80*cm*60cm的长方体内，管道模型横截面边长为60cm，腔体内金属丝线阵采用8*7阵列，平均长度为96cm，是中心频率半波长的32倍长，分布式天线阵列1距离金属丝线阵中心26cm处,信标天线2离线阵约26cm处，接收端处设置有信标天线以及发生器，发生器与信标天线相连；同时曲折空间中还设置有信号反转器件和放大器。第一分布式天线1-1和第二分布式天线1-2通过传输线与信号反转器件连接，信号反转器件通过传输线与放大器连接，放大器通过传输线与第二分布式天线1-2以及第二分布式天线1-1连接；传能过程依次包括以下步骤：

1：由接收端的发生器产生一信道探测电磁波信号,由接收端的信标天线将信道探测电磁波信号向周围发射，发射电磁波信号图如图3所示；

2：信标天线发射的电磁波信号经过金属丝线阵传递，分布式天线阵列1接收到传递过来的电磁波信号，第一分布式天线1-1(其中第一分布式天线1-1和第二分布式天线1-2的信号图相同，因为二者呈分布式)接收到的电磁波信号图如图4所示；第一分布式天线1-1和第二分布式天线1-2再通过传输线将接收到的电磁波信号传递到信号反转器件；信号反转器件对接收到的电磁波信号进行时间反演操作；反转处理后的电磁波信号如图5所示；信号反转器件处理后通过传输线将电磁波信号传递给放大器；放大器再对电磁波信号进行放大，得到放大后的电磁波信号，由于电磁波信号幅度的对信道响应的线性特征以及方便比较效率，设置放大倍数为1，第一分布式天线1-1和第二分布式天线1-2同时将放大后的电磁波信号发射出去；

3：第一分布式天线1-1和第二分布式天线1-2发射的放大后的电磁波信号在金属丝线阵的作用下并在接收端的信标天线处产生聚焦；聚焦后的电磁波信号如图6所示；

图4—图6中，虚线表示的是未加载金属丝线的相应的电磁波信号包络图；而实线表示的是加载金属丝线的相应的电磁波信号包络图,其中横坐标代表时间,以ns(毫微秒)为单位；纵坐标为对应时刻的电磁波信号幅度，电磁波信号幅度以V为单位。

由图4可以看出当加载金属丝线阵后，分布式天线阵列后接收电磁波信号幅度更高，证明了金属丝线阵能提高电磁波信号在分布式天线阵列的传递；

由图5可以看出当加载金属丝线阵后，反演操作后的未加载金属丝线阵时分布式天线阵列所接收到的电磁波信号幅度更高，证明了金属丝线阵能提高电磁波信号在时间反演的传递；

由图6可以看出当加载金属丝线阵后，接收端的信标天线接收到的电磁波信号幅度更强，证明了金属丝线阵能提高电磁波信号的传递；添加金属线阵后，原信标天线处出现更强的聚焦电磁波信号，聚焦电磁波信号的幅值增加约30％。

本方案通过在封闭曲折结构中设置分布式的无线输能阵列天线，并在曲折结构中设置满足一定条件的金属丝阵列，在目标点处的信标天线发射了信道探测电磁波信号后，分布式天线阵列处接收到相应电磁波信号，信号反转器件将接收到的电磁波信号经过反演操作，放大器再对电磁波信号进行幅度放大，得到反演电磁波信号并再次由分布式天线阵列发射，利用信道的逆向性以及过程中的自相关卷积，在目标点处出现聚焦电磁波信号，实现了高效的封闭曲折环境中的远距离的分布式无线输能。

本申请不限于上述实施例，而分布式阵列中的接收天线数量更不限于两个，可根据实际空间需要来设定；任何直接替换会直接使用或不费劳动的情况下采用本申请中的方案，均应落入本申请的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于时间反演的分布式无线能量传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)：在封闭曲折环境中的接收端的发生器产生电磁波信号并传递给信标天线，信标天线接收到发生器传递的电磁波信号并传递给金属丝线阵，金属丝线阵接收到信标天线传递的电磁波信号并传递给分布式天线阵列；

(2)：分布式天线阵列接收到金属丝线阵传递的电磁波信号再传递给信号反转器件，信号反转器件将接收到的电磁波信号作为能量信号进行反演操作，得反演电磁波信号，信号反转器件将反演电磁波信号传递给放大器；放大器接收到反演电磁波信号并对其进行放大处理，得到放大电磁波信号，放大器将放大电磁波信号传递给分布式天线阵列，分布式天线阵列接收到放大器传递的放大电磁波信号并传递给金属丝线阵；

(3)：金属丝线阵接收到分布式天线传递的电磁波信号并传递到接收端处产生聚焦，得到聚焦电磁波信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于时间反演的分布式无线能量传输方法，其特征在于，分布式天线阵列是全向天线或定向天线。

3.根据权利要求1或2任一所述的一种基于时间反演的分布式无线能量传输方法，其特征在于，分布式天线阵列分布在金属丝线阵的中心。

4.根据权利要求1所述的一种基于时间反演的分布式无线能量传输方法，其特征在于，金属丝线阵平均长度是电磁波半波长的整倍数。

5.根据权利要求1所述的一种基于时间反演的分布式无线能量传输方法，其特征在于，信号反转器件通过传输线与放大器连接，分布式天线阵列通过传输线分别与信号反转器件和放大器连接。