何金梅，王 薪

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210016)

傳統(tǒng)的供電方式是有纜供電，便攜式設(shè)備一般還設(shè)有電池。雖電纜供電是當(dāng)今高效、快捷的供能方式，但面對數(shù)量眾多、性能不斷增強(qiáng)的電子產(chǎn)品而言，電纜供電則顯得繁瑣。采用電池供電的方式雖然能提供諸多方便，但隨著電子設(shè)備的精簡設(shè)計，電池的體積和容量受限［1－2］，導(dǎo)致電子產(chǎn)品的使用需要頻繁地更換電池，使得供電總體性能急劇下降。如何能快速、便捷地為電子設(shè)備供能成為當(dāng)前研究的熱點問題。而無線能量傳輸具有持續(xù)供能、無纜操作、無需反復(fù)拆卸設(shè)備等優(yōu)點，能滿足種類和數(shù)目日益增長的便攜式電子產(chǎn)品的供能需求。

無線能量傳輸技術(shù)主要包括超聲波、近場電感耦合、電磁共振耦合、激光和射頻遠(yuǎn)場傳輸?shù)确绞?。超聲波穿透能力?qiáng)，但易受自然環(huán)境影響。近場電感耦合傳輸?shù)墓β瘦^大，但只適用于毫米量級的近距離能量傳輸。電磁共振耦合則利用電磁共振物體間的強(qiáng)耦合作用來實現(xiàn)能量傳遞，其對應(yīng)的能量傳輸距離也受限，能量傳輸距離增大能量衰減也隨之增大，并且需要確定能量收發(fā)端的具體位置［3－4］。

針對上述問題本文采用基于分布式回復(fù)反射(Retro－reflective)技術(shù)的波束形成方法實現(xiàn)微波無線能量傳輸。基于回復(fù)反射的天線陣列和波束聚焦技術(shù)已被提出并研究多年［3－4］，然而這項技術(shù)主要針對通信領(lǐng)域。而本文研究的系統(tǒng)是用于微波無線能量傳輸，該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，具有位置可調(diào)節(jié)性、空間靈活性等特點，能快速、高效的對待充電設(shè)備進(jìn)行波束聚焦供能。其工作過程可概括為當(dāng)待充電設(shè)備發(fā)射一個導(dǎo)航信號(供能請求)后，空間分布式能量供應(yīng)端就能實現(xiàn)對待充電設(shè)備的定位及波束聚焦供能。實現(xiàn)波束聚焦的過程則可描述為3 個基本步驟:(1)目標(biāo)設(shè)備向天線陣列發(fā)送一個連續(xù)波信號作為所謂的“導(dǎo)航信號”。(2)天線陣列中各單元對接收到的導(dǎo)航信號作相位和幅度分析。(3)天線陣列中所有天線單元發(fā)射與接收到的導(dǎo)航信號形成復(fù)數(shù)共軛的電磁波，從而形成聚焦于目標(biāo)設(shè)備的波束。

1 工作原理

文獻(xiàn)［5］中提出了基于回復(fù)式反射完成無線能量傳輸?shù)姆桨浮Ｔ诖嘶A(chǔ)上，發(fā)射天線陣列在空間里呈分布式擺放，能實現(xiàn)近場區(qū)域內(nèi)特定位置的空間波束聚焦。而本文的研究目標(biāo)不僅將射頻能量和導(dǎo)航信號形成回復(fù)式反射對，并將能量聚焦在近場區(qū)域的特定位置處。通過調(diào)節(jié)能量發(fā)射端陣列天線的相位來調(diào)節(jié)電磁波波束的輻射方向?；谶@種設(shè)計，能量接收端由天線、導(dǎo)航信號接收器和整流電路組成。微波無線能量發(fā)射端由天線陣列、射頻信號發(fā)生器、導(dǎo)航信號分析模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 回復(fù)反射無線供能系統(tǒng)框圖

如圖1 所示無線供能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，無線能量發(fā)射端由兩個四陣元的天線陣、射頻信號發(fā)生器、導(dǎo)航信號分析模塊和PC 機(jī)組成，其中可借助PC 機(jī)的判斷用單刀雙擲開關(guān)來控制無線能量發(fā)射端是分析導(dǎo)航信號還是給待充電設(shè)備發(fā)射能量。能量接收端由天線、射頻－直流能量轉(zhuǎn)換器和導(dǎo)航信號發(fā)生器組成。

分布式回復(fù)反射微波無線能量傳輸?shù)墓ぷ鬟^程為可具體分為如下幾個步驟:(1)由待充電設(shè)備上的導(dǎo)航信號發(fā)生器發(fā)射一個導(dǎo)航信號，該導(dǎo)航信號可為連續(xù)波或者脈沖信號。(2)無線能量發(fā)射端的導(dǎo)航信號分析裝置接收到導(dǎo)航信號后分析出特定位置發(fā)射的導(dǎo)航信號的相位和幅度信息。(3)通過PC 機(jī)的連接將導(dǎo)航信號的幅度和相位信息反映在射頻信號發(fā)射端的控制信息上，再由空間分布式天線向發(fā)射導(dǎo)航信號的待充電設(shè)備聚焦供能。最后通過待充電設(shè)備上的整流電路將收集的能量轉(zhuǎn)換成能直接供負(fù)載使用的直流電能。

實際應(yīng)用中，本文提出的無線供能技術(shù)方案適合給室內(nèi)場所的移動電子設(shè)備供電。典型應(yīng)用之一是倉庫環(huán)境中對有源射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)標(biāo)簽的中遠(yuǎn)程無線充電。在該應(yīng)用中，能量發(fā)射天線陣列可分布安裝于墻壁和天花板上，陣列天線之間可通過線纜相互連接。RFID 標(biāo)簽需供電時向四周發(fā)射導(dǎo)航信號，收到導(dǎo)航信號后，多個分布式天線陣列協(xié)同發(fā)射聚焦的波束將能量傳送至該RFID 標(biāo)簽。采用該技術(shù)可使有源RFID 標(biāo)簽的應(yīng)用不再受電池壽命的限制，有效降低了有源RFID 的使用成本。

2 系統(tǒng)仿真設(shè)計與結(jié)果分析

與文獻(xiàn)［6］和［7］不同，本文的設(shè)計中能量發(fā)射端的天線陣列在空間呈分布式擺放。結(jié)合以上分布式波束形成器無線能量傳輸系統(tǒng)的工作原理可對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和仿真。回復(fù)式反射無線供能實驗結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 回復(fù)式反射無線供能實驗結(jié)構(gòu)框圖

如圖2 所示，將陣列天線分布式擺放在兩個相互垂直的位置處，待充電裝置在第一象限內(nèi)的虛線框內(nèi)移動。假設(shè)無線能量傳輸系統(tǒng)的工作頻點為2.1 GHz，能量發(fā)射端的天線采用沿z 方向極化的矩形微帶貼片天線，能量接收裝置上的天線采用全向輻射的單極子天線。借助HFSS 仿真軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，當(dāng)接收天線在第一象限內(nèi)的虛線框的中心位置(600 mm，600 mm，0 mm)時，仿真結(jié)果如圖3 所示。

如圖3 所示，能量發(fā)射端的天線陣列分別位于x 軸和y 軸上，每個陣列中心距離坐標(biāo)原點的距離均為600 mm，根據(jù)能量發(fā)射天線的分布式擺放位置，先將發(fā)射導(dǎo)航信號和接收能量的天線放置在(600 mm，600 mm，0 mm)位置處，即兩個天線陣列近場的中點位置處。為了便于觀察仿真結(jié)果，在接收天線所在區(qū)域截取一片區(qū)域觀察對應(yīng)的電場分布情況，截取的區(qū)域如圖2 虛線框區(qū)域。仿真后得到如圖4 所示的實驗結(jié)果。為了驗證能量接收天線在圖2 虛線框內(nèi)移動位置的任意性，將能量接收天線分別放置在距離中心位置(600 mm，600 mm，0 mm)、(500 mm，700 mm，0 mm)、(700 mm，700 mm，0 mm)、(500 mm，500 mm，0 mm)和(700 mm，500 mm，0 mm)4 個位置處，對應(yīng)的仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖3 能量接收天線放置在(600 mm，600 mm，0 mm)位置處波束聚焦仿真結(jié)果

圖4 能量接收天線放置在不同位置處波束聚焦仿真結(jié)果

該仿真實現(xiàn)的過程為:近場區(qū)域內(nèi)的天線發(fā)射一個導(dǎo)航信號，分布式天線接收到導(dǎo)航信號后根據(jù)該位置導(dǎo)航信號的相位信息鎖定發(fā)射導(dǎo)航信號的位置，再形成窄波束聚焦輻射在發(fā)射導(dǎo)航信號的天線位置處，形成能量聚焦點。

從圖4 仿真結(jié)果中可以看出，接收天線放置在(600 mm，600 mm，0 mm)處進(jìn)行仿真，當(dāng)接收天線被移走時觀察這片區(qū)域的電場分布，在(600 mm，600 mm，0 mm)處形成了明顯的焦點。移動接收天線的位置，將其放置距離中心位置一定距離的位置時，天線陣列均能在特定放置接收天線的位置處形成明顯的波束聚焦點［8－9］。仿真結(jié)果說明，分布式天線陣能在近場區(qū)域內(nèi)任意位置發(fā)射導(dǎo)航信號的天線進(jìn)行定位和波束聚焦供能。

本文方案中，天線陣列的近場區(qū)域內(nèi)的特定位置處形成波束疊加，而遠(yuǎn)場則相互抵消，這不僅增大了能量傳輸效率，還能有效避免能量傳輸過程中對其它電子設(shè)備造成干擾。

3 結(jié)束語

本文研究了一種基于分布式天線陣列波束聚焦的微波無線能量傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個4×1 的微帶天線陣組成，天線陣列分散布置在較大范圍的空間各處，且對其位置沒有固定的要求，從而具有較高的靈活性和可靠性。仿真結(jié)果表明，本設(shè)計中的能量傳輸天線陣列能在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)對移動設(shè)備的跟蹤和近場聚焦集能。

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