一種基於時間反演的分布式無線能量傳輸方法與流程

2023-05-09 02:14:36

本發明屬於電磁波無線能量輸送領域，更為具體地說，涉及一種基於電磁時間反演的封閉曲折環境中的遠距離的分布式無線輸能方法。

背景技術：

所謂輸能，即是對用電設備進行能量輸送，如有線電視的供電線供電，電動牙刷的感應式充電等。隨著社會的不斷發展以及人們對於能量的及時性的需求，無線輸能開始被提出。無線輸能方式，大致包括三種：電磁波遠場能量輸送，諧振耦合輸能，電磁感應耦合輸能。

諧振耦合輸能是指在兩處具有相同頻率的裝置，可以通過共振交換能量，實現無線能量的輸送。這種方法的優點是能量傳輸功率高，缺點是裝置的尺寸一般較大，傳輸效率較低，較難達到實際運用的目的。

電磁感應耦合輸能是通過線圈與線圈之間的感應實現能量傳遞，即主線圈的電流等變化會使空間中的電磁波隨時間變化，從而在次級線圈產生感應電流，實現無線能量輸送。這種方法的優點是傳輸效率較高，但由於是通過變化的電磁場傳遞能量，一般電磁幹擾比較嚴重。

電磁波遠場能量輸送即是以電磁波為載體，通過發射端發射電磁波，接收端接收到電磁波後通過一系列後續處理，實現在發射裝置與接收裝置之間傳遞能量。這種方法的優點是無須線纜等多餘設備輔助，節省空間。

近些年來，也有研究者提出了金屬絲有利於電磁波傳播,但是只是採用在理想的傳播空間中進行研究，對於金屬絲線陣在曲折空間環境中如何提高輸能效果並無相關研究；同時現有的研究大多只是將金屬絲隨機分散在傳播空間，並沒有針對金屬絲更加有效或充分的增加輸能效果進行研究。

時間反演是一種新型的電磁波傳播與控制方法；時間反演需要在包圍源的封閉曲面上布滿電磁波信號接收器，該接受裝置稱為TRM；TRM接收到源發射的電磁波信號後進行時間反演，再重新發射，重發射的電磁波信號在發射源的附近再實現空間與時間的聚焦；在無線電磁波輸送能量方面，通過利用時間反演的空時聚焦特性，無線輸能已經取得了較大的進步，研製出了一系列的站列式時間反演鏡系統，這種方法較之於以前，能量傳遞效率已經有了較大的提高，但缺點是天線陣周圍輻射較大以及在較為封閉曲折的場地不易使用。

其中時間反演包括分布式天線陣列以及時間反演模塊(一般採用信號反轉器件實現信號的反演)，分布式天線陣列也稱天線陣，它是由許多相同的單個天線(如對稱放置的偶極子天線)排列組成的天線系統。單個天線的方向圖不易控制，增益不高，其他參量往往也不能滿足使用要求，所以在某些應用場合(例如雷達天線等)需要使用陣列天線。陣列天線的各組成天線單元應有一定的排列規律和饋電方式，以獲得所要求的功能。按單元排列可分為線陣和面陣。最常用的線陣是各單元的中心依次等距排列在一直線上的直線陣。線陣的各單元也有不等距排列的，各單元中心也可以不排列在一直線上，例如排列在圓周上。陣列天線的輻射電磁場是組成該天線陣各個單元的輻射場的總和(矢量和)由於單元各個位置和饋電電流的振幅和相位均可以調整，從而實現高效的傳輸。分布式天線陣列採用分布式放置，在封閉曲折環境中使用，可將功率分散，讓單個天線承受較低的功率，實現遠距離的輸送，同時保持較高的無線輸能效率。

現有自動化控制設備使用十分廣泛，並且很多自動化控制設備處於封閉空間，不容易拆卸；那麼當裝置需要能量時，則十分的不方便；同時在封閉曲折環境中進行傳能時，由於曲折環境中的空間限制以及複雜的電磁傳輸環境，導致傳輸效率低下，這給應用於封閉曲折環境中的裝置的能量供應造成了極大的不便。所以，研究出一種分布式遠距離能量傳輸的技術，用於提高封閉曲折環境中的遠距離無線能量傳輸的效率，具有十分重要的意義。

技術實現要素：

本發明的目的在於：針對由於電磁波在曲折環境中的空間限制以及複雜的電磁環境中傳輸而導致傳輸效率降低的問題，本發明提供了一種在曲折結構中也能實現高效傳輸的基於時間反演的分布式無線能量傳輸方法。

本發明採用的技術方案如下：

一種基於時間反演的分布式無線能量傳輸方法，包括以下步驟：

(1)：封閉曲折環境中的接收端的發生器產生電磁波信號並傳遞給信標天線，信標天線接收到發生器傳遞的電磁波信號並傳遞給金屬絲線陣，金屬絲線陣傳遞接收到信標天線傳遞的電磁波信號並傳遞給分布式天線陣列；

(2)：分布式天線陣列接收到金屬絲線陣傳遞的電磁波信號再傳遞給信號反轉器件，信號反轉器件將接收到的電磁波信號作為能量信號進行反演操作，得反演電磁波信號，信號反轉器件將反演電磁波信號傳遞給放大器；放大器接收到反演電磁波信號並對其進行放大處理，得到放大電磁波信號，放大器將放大電磁波信號傳遞給分布式天線陣列，分布式天線陣列接收到放大器傳遞的放大電磁波信號並傳遞給金屬絲線陣；其中分布式天線陣列具有分散電磁波信號並傳遞的作用；

(3)：金屬絲線陣接收到分布式天線陣列傳遞的電磁波信號並傳遞到接收端，並在接收端處產生聚焦，得到聚焦電磁波信號。最終分布式天線陣列傳遞的電磁波信號在接收端聚焦，實現傳能。

接收端的信標天線處的裝置沒有能量後，信標天線發射電磁波信號到所處的曲折環境中，在金屬絲線陣的渠化作用下，電磁波信號高效率地到達分布式天線陣列，分布式天線陣列處接收到電磁波信號後，電磁波信號通過信號反轉器件在時間上進行反轉，然後在放大器的作用下，被反轉處理的電磁波信號被放大，再經過分布式天線陣列發射，再通過金屬絲線陣的作用，電磁波信號高效率地在達接收端的信標天線處聚焦，實現無線輸能；時間反演鏡(TRM)包括分布式天線陣列，信號反轉器件以及放大器，本申請通過時間反演以及在空間中增加金屬絲線陣實現了電磁波信號在曲折空間中的高效傳輸，在曲折空間中的無線傳能對於現有的自動化控制設備等有重要意義。

可選地，分布式天線陣列是全向天線或定向天線。可以根據電磁波信號的具體的傳播來選用；定向天線可以讓電磁波信號發射口對準金屬絲線陣，更利於傳播，相對會減少電磁波信號的損失。

優選地，分布式天線陣列分布在金屬絲線陣的中心。中心磁場最強，電磁波信號沿四周的金屬絲傳遞，能更好的實現電磁波信號的高效傳輸。

優選地，金屬絲線陣平均長度是電磁波半波長的整倍數。當金屬絲線陣平均長度是電磁波半波長的整倍數時，諧振效果更明顯，渠化作用(電磁波沿著金屬絲線陣傳播)效果更佳。

具體地，信號反轉器件通過有線傳遞與放大器連接，分布式天線陣列通過有線傳遞分別與信號反轉器件和放大器連接。分布式天線陣列發射的信號直接通過傳輸線到信號反轉器件，信號反轉器件處理後再通過傳輸線直接將處理後的電磁波信號傳遞到放大器，放大器再通過傳輸線直接將電磁波信號傳遞到分布式天線陣列。放大器與信號反轉器件的位置設置並沒有要求。

綜上所述，由於採用了上述技術方案，本發明的有益效果是：

1.本發明利用位於封閉曲折結構中接收端的發生器產生電磁波信號，接收端的信標天線發射探測電磁波信號，藉助金屬絲線陣傳輸，由分布式天線陣列接收電磁波信號，信號反轉器件對電磁波信號進行時間反演操作，放大器再對電磁波信號進行放大處理，最後由分布式天線陣列發射處理後的電磁波信號，電磁波信號在接收端的信標天線處聚焦，同時在曲折空間中，藉助金屬絲線陣以及時間反演來提高電磁波信號傳遞的效率，實現了電磁波信號在曲折結構中的高效傳輸。

2.分布式天線陣列是全向天線或定向天線；根據輸能需要，靈活應用。分布式天線陣列具有聚焦性好、損耗小、輸能效率高的優點。

3.當金屬絲線陣長度是電磁波半波長的整倍數時，能到達諧振，渠化(電磁波沿著金屬絲線陣傳播)效果更佳。

4.當分布式天線陣列分布在金屬絲線陣的中心時，中心磁場最強，電磁波的損耗相對減少，電磁波沿四周的金屬絲傳遞，能更好的實現電磁波信號的高效傳輸。

5.分布式天線陣列發射的信號直接通過傳輸線傳遞到信號反轉器件，信號反轉器件處理後再通過傳輸線直接將處理後的電磁波信號傳遞到放大器，放大器再通過傳輸線直接將電磁波信號傳遞到分布式天線陣列。有線傳輸相對損耗較小，傳輸可控性更強。

附圖說明

圖1為本申請的基本結構圖；

圖2為本申請不帶腔體的基本結構圖；

圖3為本申請接收端的信標天線發射的電磁波信號波形；

圖4為本申請未加載金屬絲線陣時分布式天線陣列接收電磁波信號與加載金屬絲線陣時分布式天線陣列接收電磁波信號包絡對比圖；

圖5為本申請反演操作後的未加載金屬絲線陣時分布式天線陣列所接收到的電磁波信號與加載金屬絲線陣時分布式天線陣列所接收到的電磁波信號包絡對比圖；

圖6為本申請接收端的信標天線未加載金屬絲線陣與加載金屬絲線陣時接收到的聚焦電磁波信號對比圖；

圖中標記：1-分布式天線陣列；1-1-第一分布式天線；1-2-第二分布式天線；2-信標天線；3-金屬絲線陣；5-腔體。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特徵，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

下面結合圖1至圖6對本發明作詳細說明。

為了使本發明的目的、技術方案更加明確，接下來結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。本發明的實施方式包括但不限於以下實施例。

本實施例採用分布式天線陣列1；設置分布式天線陣列1的接收天線數量包括兩個，分別是第一分布式天線1-1，第二分布式天線1-2；所用電磁波信號為4.9-5.1GHz，則中心頻率計算平均值為5Ghz；根據λf＝c(c為光速)，可以算出波長為6cm，半波長為3cm，則得到中心頻率半波長為3cm，第一分布式天線1-1和第二分布式天線1-2採用同一類偶極子天線(用來接收和發射固定頻率電磁波信號；同時呈管道模型)，管道模型包含在160cm*80*cm*60cm的長方體內，管道模型橫截面邊長為60cm，腔體內金屬絲線陣採用8*7陣列，平均長度為96cm，是中心頻率半波長的32倍長，分布式天線陣列1距離金屬絲線陣中心26cm處,信標天線2離線陣約26cm處，接收端處設置有信標天線以及發生器，發生器與信標天線相連；同時曲折空間中還設置有信號反轉器件和放大器。第一分布式天線1-1和第二分布式天線1-2通過傳輸線與信號反轉器件連接，信號反轉器件通過傳輸線與放大器連接，放大器通過傳輸線與第二分布式天線1-2以及第二分布式天線1-1連接；傳能過程依次包括以下步驟：

1：由接收端的發生器產生一信道探測電磁波信號,由接收端的信標天線將信道探測電磁波信號向周圍發射，發射電磁波信號圖如圖3所示；

2：信標天線發射的電磁波信號經過金屬絲線陣傳遞，分布式天線陣列1接收到傳遞過來的電磁波信號，第一分布式天線1-1(其中第一分布式天線1-1和第二分布式天線1-2的信號圖相同，因為二者呈分布式)接收到的電磁波信號圖如圖4所示；第一分布式天線1-1和第二分布式天線1-2再通過傳輸線將接收到的電磁波信號傳遞到信號反轉器件；信號反轉器件對接收到的電磁波信號進行時間反演操作；反轉處理後的電磁波信號如圖5所示；信號反轉器件處理後通過傳輸線將電磁波信號傳遞給放大器；放大器再對電磁波信號進行放大，得到放大後的電磁波信號，由於電磁波信號幅度的對信道響應的線性特徵以及方便比較效率，設置放大倍數為1，第一分布式天線1-1和第二分布式天線1-2同時將放大後的電磁波信號發射出去；

3：第一分布式天線1-1和第二分布式天線1-2發射的放大後的電磁波信號在金屬絲線陣的作用下並在接收端的信標天線處產生聚焦；聚焦後的電磁波信號如圖6所示；

圖4—圖6中，虛線表示的是未加載金屬絲線的相應的電磁波信號包絡圖；而實線表示的是加載金屬絲線的相應的電磁波信號包絡圖,其中橫坐標代表時間,以ns(毫微秒)為單位；縱坐標為對應時刻的電磁波信號幅度，電磁波信號幅度以V為單位。

由圖4可以看出當加載金屬絲線陣後，分布式天線陣列後接收電磁波信號幅度更高，證明了金屬絲線陣能提高電磁波信號在分布式天線陣列的傳遞；

由圖5可以看出當加載金屬絲線陣後，反演操作後的未加載金屬絲線陣時分布式天線陣列所接收到的電磁波信號幅度更高，證明了金屬絲線陣能提高電磁波信號在時間反演的傳遞；

由圖6可以看出當加載金屬絲線陣後，接收端的信標天線接收到的電磁波信號幅度更強，證明了金屬絲線陣能提高電磁波信號的傳遞；添加金屬線陣後，原信標天線處出現更強的聚焦電磁波信號，聚焦電磁波信號的幅值增加約30％。

本方案通過在封閉曲折結構中設置分布式的無線輸能陣列天線，並在曲折結構中設置滿足一定條件的金屬絲陣列，在目標點處的信標天線發射了信道探測電磁波信號後，分布式天線陣列處接收到相應電磁波信號，信號反轉器件將接收到的電磁波信號經過反演操作，放大器再對電磁波信號進行幅度放大，得到反演電磁波信號並再次由分布式天線陣列發射，利用信道的逆向性以及過程中的自相關卷積，在目標點處出現聚焦電磁波信號，實現了高效的封閉曲折環境中的遠距離的分布式無線輸能。

本申請不限於上述實施例，而分布式陣列中的接收天線數量更不限於兩個，可根據實際空間需要來設定；任何直接替換會直接使用或不費勞動的情況下採用本申請中的方案，均應落入本申請的保護範圍內。