一種低成本的自適應(yīng)無線信息與能量復(fù)用傳輸系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種低成本的自適應(yīng)無線信息與能量復(fù)用傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為兩大部分：發(fā)射子系統(tǒng)與接收子系統(tǒng)，所述發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射同時具備能量和信號的復(fù)合信號，通過自由空間傳輸至接收子系統(tǒng)；所述接收子系統(tǒng)把復(fù)合信號分離到通信鏈路和能量鏈路分別加以利用，實現(xiàn)信息與能量復(fù)用的功能；其中能量鏈路的能量能夠供給后級負(fù)載使用，也能夠供給接收子系統(tǒng)的通信鏈路使用；同時，接收子系統(tǒng)通過能量管理、監(jiān)測與反饋，把接收子系統(tǒng)的實時工作性能反饋給發(fā)射子系統(tǒng)，發(fā)射子系統(tǒng)根據(jù)反饋信號調(diào)整發(fā)射性能，從而實現(xiàn)自校正功能，維持整個系統(tǒng)性能的最優(yōu)。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種低成本的自適應(yīng)無線信息與能量復(fù)用傳輸系統(tǒng)
本專利技術(shù)涉及無線能量傳輸與收集
，更具體地，涉及一種基于微波射頻頻段的具備自動校正功能的低成本的自適應(yīng)無線信息與能量復(fù)用傳輸系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
無線能量傳輸與收集技術(shù)是(WirelessPowerTransmissionandharvesting,WPT)能量通過激光、超聲波、微波、磁共振等方式從發(fā)射端通過自由空間傳輸?shù)浇邮斩说募夹g(shù)。相比有線能量傳輸，無線能量傳輸在空間靈活性、架設(shè)方便性等方面有巨大的優(yōu)勢。在一些特殊的應(yīng)用場景，例如跨島傳輸、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供電、人體內(nèi)微電子設(shè)備充供電、運動檢測傳感器充電等，無線能量傳輸有無可替代的優(yōu)勢。在多種無線能量傳輸技術(shù)中，基于微波輻射的能量傳輸因傳輸距離靈活性最大(幾十厘米到幾千米)，架設(shè)靈活性最高(一對一、一對多、多對多、多對一)，位置靈活性也最高(在微波傳輸范圍內(nèi))而被研究者廣泛關(guān)注。微波能量傳輸最早的實驗源于NikolaTesla的無線功率傳輸實驗，把幾十萬瓦能量從一個海島傳輸?shù)搅硪粋€海島，證明了微波能量傳輸?shù)目尚行浴＝陙恚⒉芰總鬏斣诳臻g輸電，太陽能能量傳輸?shù)却蠊β蕬?yīng)用場景有較大的發(fā)展。在低功率應(yīng)用場景，微波能量傳輸作為一種改善物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點能量獲取情況的革命性技術(shù)，正在逐漸被全球科研界關(guān)注。由于微波能量接收系統(tǒng)的核心器件性能限制，正常的密度因能級太低無法被有效獲取，因此需要確定的可供電能量源。這個能量源通常需要專門的設(shè)計，增加了設(shè)計和制作成本，獨立傳輸?shù)哪芰啃盘栆矔ΜF(xiàn)有的通信系統(tǒng)造成干擾，導(dǎo)致通信系統(tǒng)無法運行。如果能將信息與能量復(fù)合傳輸，將最大程度地利用現(xiàn)有通信系統(tǒng)的模塊，大大減小成本，同時符合信號兼容了通信信號，不會對現(xiàn)代通信傳輸造成干擾，從而使商用微波能量傳輸成為可能。另一方面，目前現(xiàn)有的能量信號發(fā)射源通常體積較大且位置與信號傳輸方向固定，在移動終端充電的應(yīng)用場合，由于接收系統(tǒng)在空間位置的移動，通常導(dǎo)致能量無法被有效接收從而降低效率，造成能量浪費，發(fā)射和接收系統(tǒng)也沒有有效的保護措施，在位置過近時會因接收能量過大而導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。因此，在實際應(yīng)用過程中設(shè)計具有自適應(yīng)追蹤功能的系統(tǒng)非常必要。另外在接收系統(tǒng)中，由于遮擋物的出現(xiàn)、發(fā)射能量的變化、位置而方向的改變等，會使接收功率變小，而傳統(tǒng)的接收系統(tǒng)因為核心器件--整流二極管的工作特性，其輸入功率對性能影響較大，導(dǎo)致效率下降；當(dāng)功率過大時，會導(dǎo)致系統(tǒng)燒壞。因此，有必要研發(fā)一種新型微波能量傳輸與收集系統(tǒng)，克服上述技術(shù)難點。
技術(shù)實現(xiàn)思路
為解決上述問題，本專利技術(shù)的目的在于提供一種低成本，易安裝的自適應(yīng)無線信息與能量復(fù)用傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在最大程度與現(xiàn)有通信系統(tǒng)兼容的前提下，實現(xiàn)智能化、高效率的通信與傳能復(fù)用的微波射頻傳輸系統(tǒng)來實現(xiàn)低成本、易安裝、高兼容性、高效率、智能化的無線能量傳輸與收集。為了達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)的技術(shù)方案為：一種低成本的自適應(yīng)無線信息與能量復(fù)用傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為兩大部分：發(fā)射子系統(tǒng)與接收子系統(tǒng)，所述發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射同時具備能量和信號的復(fù)合信號，通過自由空間傳輸至接收子系統(tǒng)；所述接收子系統(tǒng)把復(fù)合信號分離到通信鏈路和能量鏈路分別加以利用，實現(xiàn)信息與能量復(fù)用的功能；其中能量鏈路的能量能夠供給后級負(fù)載使用，也能夠供給接收子系統(tǒng)的通信鏈路使用；同時，接收子系統(tǒng)通過能量管理、監(jiān)測與反饋，把接收子系統(tǒng)的實時工作性能反饋給發(fā)射子系統(tǒng)，發(fā)射子系統(tǒng)根據(jù)反饋信號調(diào)整發(fā)射系能，從而實現(xiàn)自校正功能，維持整個系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。其中所述發(fā)射子系統(tǒng)包括：基站/移動終端、數(shù)據(jù)信號處理器、可變增益放大器、模擬濾波器、大信號載波生成器、調(diào)制器、射頻濾波器、可變增益射頻功率放大器、射頻功率分配器陣列、射頻移相器陣列、發(fā)射天線陣、射頻控制模塊、低速鏈路接收器和反饋接收天線；其中，基站/移動終端提供原始的通信基帶傳輸信號，依次經(jīng)過數(shù)據(jù)信號處理器，可變增益放大器和模擬濾波器進行處理，處理后的信號具備能夠被調(diào)制的特性，再通過調(diào)制器把大信號載波生成器生成射頻載波與模擬濾波器輸出的基帶調(diào)制信號進行調(diào)制，繼而輸出基礎(chǔ)的射頻通信信號；為了具備與現(xiàn)代通信系統(tǒng)與信號兼容的特性，基站信號接收器、數(shù)字信號處理器、可變增益放大器、模擬濾波器、調(diào)制器均采用已經(jīng)成熟應(yīng)用的通信技術(shù)，并可采用SOC或PCB形式進行電氣連接，其具體的功能在此不再贅述。其中，大信號載波發(fā)生器包括射頻振蕩器和前置放大器，為基帶信號提供比現(xiàn)有通信系統(tǒng)更大能級的載波能量信號并參與調(diào)制，而調(diào)制器的調(diào)制模式不對接收系統(tǒng)的接收特性與性能造成限制，可根據(jù)不同的應(yīng)用場景采用不同的調(diào)制方式。基礎(chǔ)的射頻通信信號依次輸入到射頻濾波器和可變增益射頻功率放大器進行進一步處理，把基礎(chǔ)的射頻通信信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰繌?fù)合信號；射頻濾波器用于濾除在調(diào)制過程中產(chǎn)生的高次諧波，提高通信系統(tǒng)的信噪比，可變增益射頻功率放大器對調(diào)制并濾波后的調(diào)制信號進行可調(diào)增益的射頻功率放大，使其具備能量復(fù)用信號的能級；射頻放大能量主要由低紋波電源提供。同時，電源具備低紋波特性，從而減小對信號帶來的干擾。從可變增益射頻功率放大器輸出的能量復(fù)合信號依次通過射頻功率分配器陣列、射頻移相器陣列和發(fā)射天線陣，高效并且集中地往自由空間的某個確定的方向傳輸；射頻功率分配器陣列提供等分的功率分配，使其進入射頻移相器陣列的不同通道，不同通道的能量分別由發(fā)射天線陣輻射出去，從而形成高主瓣，低副瓣的能量波束，在空間內(nèi)有效傳輸；發(fā)射子系統(tǒng)在進行能量復(fù)合信號發(fā)射的同時，也通過另外一條通信鏈路接收接收子系統(tǒng)傳來的性能反饋信號，并根據(jù)反饋信號自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)射性能，從而實現(xiàn)自校正功能；反饋接收天線接收到接收子系統(tǒng)傳來的信號，傳導(dǎo)到低速鏈路接收器處理，然后傳輸?shù)缴漕l控制模塊；射頻控制模塊根據(jù)反饋數(shù)據(jù)產(chǎn)生第一控制邏輯調(diào)節(jié)射頻移相器陣列的相位，從而調(diào)節(jié)波束的主瓣方向；同時根據(jù)接收電壓信號調(diào)節(jié)可變增益射頻功率放大器，從而調(diào)整發(fā)射功率大小。所述接收子系統(tǒng)包括：接收天線陣、能量分離器、諧波抑制濾波器、通信接收機、射頻整流器、直通濾波器、能量管理器、能量管理反饋控制器、低速鏈路發(fā)射器、反饋發(fā)射天線和負(fù)載；接收天線陣接收傳輸或者空間的復(fù)合能量信號和較強的通信信號，并通過能量分離器從復(fù)合能量信號中分離出通信信號和能量信號，通信信號進入通信鏈路，由通信接收機進行處理，能量信號進入能量鏈路，依次由諧波抑制濾波器、射頻整流器和直通濾波器處理，將其從射頻能量轉(zhuǎn)化為直流能量，并由能量管理器進行高效管理；管理后的直流能量能夠儲存起來，或者供給通信接收機、能量管理反饋控制器、低速鏈路發(fā)射器和負(fù)載使用；在通信鏈路中，通信接收機處理通信的信號，包括檢波，小功率前置放大，解調(diào)等模塊。同發(fā)射機的一樣，這些模塊均采用已經(jīng)成熟應(yīng)用的通信技術(shù)，并可采用SOC或PCB形式進行電氣連接，其具體的特性在此不再贅述；能量分離器分離出通信信號和能量信號，大部分能量進入能量鏈路，依次由諧波抑制濾波器、射頻整流器進行射頻-直流轉(zhuǎn)換，諧波抑制濾波器的作用是抑制整流器工作時因為核心器件—二極管的非線性特性產(chǎn)生的高次諧波，使諧波能量反彈到整流器做二次整流，直流能量通過直通濾波器，輸入到能量管理器，直通濾波器阻止任何工作頻率以外的諧波能量進入后級，同時配合諧波抑制濾波器把整流器產(chǎn)生的高本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種低成本的自適應(yīng)無線信息與能量復(fù)用傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為兩大部分：發(fā)射子系統(tǒng)與接收子系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射同時具備能量和信號的復(fù)合信號，通過自由空間傳輸至接收子系統(tǒng)；所述接收子系統(tǒng)把復(fù)合信號分離到通信鏈路和能量鏈路分別加以利用，實現(xiàn)信息與能量復(fù)用的功能；其中能量鏈路的能量能夠供給后級負(fù)載使用，也能夠供給接收子系統(tǒng)的通信鏈路使用；同時，接收子系統(tǒng)通過能量管理、監(jiān)測與反饋，把接收子系統(tǒng)的實時工作性能反饋給發(fā)射子系統(tǒng)，發(fā)射子系統(tǒng)根據(jù)反饋信號調(diào)整發(fā)射性能，從而實現(xiàn)自校正功能，維持整個系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種低成本的自適應(yīng)無線信息與能量復(fù)用傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為兩大部分：發(fā)射子系統(tǒng)與接收子系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射同時具備能量和信號的復(fù)合信號，通過自由空間傳輸至接收子系統(tǒng)；所述接收子系統(tǒng)把復(fù)合信號分離到通信鏈路和能量鏈路分別加以利用，實現(xiàn)信息與能量復(fù)用的功能；其中能量鏈路的能量能夠供給后級負(fù)載使用，也能夠供給接收子系統(tǒng)的通信鏈路使用；同時，接收子系統(tǒng)通過能量管理、監(jiān)測與反饋，把接收子系統(tǒng)的實時工作性能反饋給發(fā)射子系統(tǒng)，發(fā)射子系統(tǒng)根據(jù)反饋信號調(diào)整發(fā)射性能，從而實現(xiàn)自校正功能，維持整個系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射子系統(tǒng)包括：基站/移動終端（1）、數(shù)據(jù)信號處理器（2）、可變增益放大器（3）、模擬濾波器（4）、大信號載波生成器（5）、調(diào)制器（6）、射頻濾波器（7）、可變增益射頻功率放大器（8）、射頻功率分配器陣列（9）、射頻移相器陣列（10）、發(fā)射天線陣（11）、射頻控制模塊（12）、低速鏈路接收器（24）和反饋接收天線（27）；其中，基站/移動終端（1）提供原始的通信基帶傳輸信號，依次經(jīng)過數(shù)據(jù)信號處理器（2），可變增益放大器（3）和模擬濾波器（4）進行處理，處理后的信號具備能夠被調(diào)制的特性，再通過調(diào)制器（6）把大信號載波生成器（5）生成射頻載波與模擬濾波器（4）輸出的基帶調(diào)制信號進行調(diào)制，繼而輸出基礎(chǔ)的射頻通信信號；基礎(chǔ)的射頻通信信號依次輸入到射頻濾波器（7）和可變增益射頻功率放大器（8）進行進一步處理，把基礎(chǔ)的射頻通信信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰繌?fù)合信號；射頻濾波器（7）用于濾除在調(diào)制過程中產(chǎn)生的高次諧波，提高通信系統(tǒng)的信噪比，可變增益射頻功率放大器（8）對調(diào)制并濾波后的調(diào)制信號進行可調(diào)增益的射頻功率放大，使其具備能量復(fù)用信號的能級；從可變增益射頻功率放大器（8）輸出的能量復(fù)合信號依次通過射頻功率分配器陣列（9）、射頻移相器陣列（10）和發(fā)射天線陣（11），高效并且集中地往自由空間的某個確定的方向傳輸；射頻功率分配器陣列（9）提供等分的功率分配，使其進入射頻移相器陣列（10）的不同通道，不同通道的能量分別由發(fā)射天線陣（11）輻射出去，從而形成高主瓣，低副瓣的能量波束，在空間內(nèi)有效傳輸；發(fā)射子系統(tǒng)在進行能量復(fù)合信號發(fā)射的同時，也通過另外一條通信鏈路接收接收子系統(tǒng)傳來的性能反饋信號，并根據(jù)反饋信號自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)射性能，從而實現(xiàn)自校正功能；反饋接收天線（27）接收到接收子系統(tǒng)傳來的信號，傳導(dǎo)到低速鏈路接收器（24）處理，然后傳輸?shù)缴漕l控制模塊（12）；射頻控制模塊（12）根據(jù)反饋數(shù)據(jù)產(chǎn)生第一控制邏輯（25）調(diào)節(jié)射頻移相器陣列（10）的相位，從而調(diào)節(jié)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：譚洪舟，區(qū)俊輝，安德烈·安德烈尼克，
申請(專利權(quán))人：廣東順德中山大學(xué)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)國際聯(lián)合研究院，中山大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：廣東,44