CN110881195A - 一种多频多目标选择性无线输能方法与*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多频多目标选择性无线输能方法与***,属于电磁波无线输能技术领域。本发明方法包括以下步骤:构建多频输能***的接收装置组以及发射装置组;根据测得输能环境中的最大多径时延,来将***采用的输能带宽范围离散化,提取输能***在每个频点的输能信道参数;根据提取的输能信道参数以及计算公式,选取最佳输能频点;利用优化算法确定选取频点对应的最优馈入信号,实现多目标选择性并行输能。本发明解决了现有多目标选择性输能技术方法中难以兼顾输能效率与旁瓣值问题,实现高效、低旁瓣的多目标选择性并行输能。
Description
技术领域
本发明属于电磁波无线输能技术领域,具体涉及一种多频多目标选择性输能方法与***。
背景技术
无线输能(Wireless Power Transfer,WPT)是当前能量传输领域中的一个研究前沿,也是近年来倍受科学界和产业界关注的一个研究热点。相比有线输能, WPT可彻底摆脱输电线缆的束缚,能全天候地、便捷灵活地、随时随地对电子设备进行不间断地供能,是一种具有革命性的能量传输技术,可广泛应用于国民经济中的各个领域,其科学研究意义和应用价值不亚于当今的无线通信技术。
目前,大量的无线输能方法主要是针对单目标输能,难以满足输能环境中存在多个待输能设备的应用需求。近年来,为了解决多目标并行输能问题,研究人员提出了一种新的无线输能技术,即“时间反演无线输能(Time Reversal Wireless Power Transfer,TR-WPT)”。与传统WPT不同,TR-WPT具有的空-时聚焦特性,将天线辐射出的电磁能量以“点聚焦波”方式,精准地输送至目标点。TR-WPT 正是凭借这个独特的输能机制,为实现多目标选择性并行输能带了希望。
近年来,许多研究人员针对多目标的并行无线输能提出了不同方法。一篇专利申请号为CN201810698828.7的发明专利,公开了一种采用多频信号利用单个发射装置对多个受能目标的并行输能,但该种方法无法实现多目标的选择性输能,并且单个发射天线通过向四周辐射的方式输能,大部分能量在空间中耗散,整体输能效率较低。一篇专利申请号为CN201810580750.9的发明专利,公开了一种采用单频信号实现多目标选择性无线输能的方法,但该方法对于某些多目标中选取的多个待输能目标进行输能时,输能效率较低,同时会产生较大的旁瓣。一篇申请专利号为CN201810580731.6的发明专利,公开了一种采用频分多址方式的实现多个发射装置对多个受能目标的选择性输能,该种方法利用不同频率信号对不同受能目标进行能量输送,可以实现多目标中每个目标的独立输能,所以在对选定的多个目标进行并行输能时,几乎没有旁瓣产生,但每个受能天线只能接收指定的单个频率能量,其余频点在该受能天线位置处的能量被极大浪费,使得多目标输能效率降低。
综上所述,目前的多目标选择性无线输能方法上,还存在一些固有缺陷,难以在针对任意多目标选择性输能情形下,同时兼顾较低的旁瓣以及较高的输能效率。
发明内容
为了突破目前多目标选择性无线输能方法的固有缺陷,本发明提出了一种多频多目标选择性输能方法与***,具体为:
步骤1.选取多频输能***的输能频点
步骤1-1.构建输能***
在目标输能区域放置M个接收装置EC1~ECM,构成输能***的接收装置组ECG。
在输能区域外侧环绕放置N个发射装置TR1~TRN,构成输能***的发射装置组TRM。
步骤1-2.提取输能***信道参数
为了保证任意选取的两个频点之间输能信道不属于同一平坦衰落信道中,以 2ΔB的频率间隔,将***采用的输能带宽范围[fL,fH]离散化得到K个频点 f1,…fk,…fK,1≤k≤K。
提取出这K个不同频点下的***输能信道参数,具体操作步骤:
(1)将频率为f1的正弦信号通过接收装置EC1~ECM发射,N个发射装置 TR1~TRN接收并记录该正弦信号,即总共M组频率为f1的信道参数矩阵表示为H1=[h11,...hm1,...hM1]T∈CM×N,其中,hm1表示第m个接收装置ECm与N个发射装置TR1~TRN之间频率为f1的幅度相位信息,1≤m≤M,上标T表示矩阵转置,CM×N表示M×N的复矩阵;
(2)另外选用频率为f2,…fk,…fK的正弦信号,依次重复进行上述操作,提取f2,…fk,…fK下的正弦信号信道参数矩阵H2,…Hk,…HK。
步骤1-3.输能***频点的选择
选取输能区域所有接收装置EC1~ECM作为待输能目标,这M个待输能目标输能的总效率代表整个输能区域的总效率。
具体操作步骤:
需要注意的是,A值越大,表示选取的输能频点越多,这会使得***输能效果更好,但同时也会增加输能***尺寸、成本及实现难度,所以实际频点数量的选取,必须兼顾实际输能需求与输能***复杂度和成本。
步骤2.多目标选择性无线输能的实现
步骤2-1.设定***优化变量及优化指标
设定***优化变量如下:
设置***优化指标如下
(3)为了兼顾***的两个输能指标,设置最大效率阈值ηth与最小旁瓣阈值SLLth,用代价函数COST表示两者联合优化指标: COST=w1·(SLL-SLLth)+w2·(ηth-η),w1、w2表示SLL与η之间的优化权重系数。
步骤2-2.***馈入信号的优化
在实际的应用中,根据实际需求,设定出E个待输能目标之间的功率分配比w'=[w'1,w'2,…,w'E],即满足其中表示E个待输能目标分别接收到的多频信号能量。为了得到***A个输能频点下的最佳馈入信号,以加权因子为优化变量,对***的旁瓣值SLL、输能效率η两指标进行联合优化,具体优化问题可表征为如下:
步骤2-3.***馈入信号的传输
本发明的有益效果是:
(1)本发明方法可在任意多目标选择性输能的情况下,实现兼顾高效率与低旁瓣的无线能量传输;
(2)本发明可根据具体的输能场景,进行***输能频率的选择,来达到最佳输能效果;
(3)本发明实现了输能***频率的自由选取,可避免输能频率与输能环境中已有的通信频率相冲突;
(4)本发明实现了多个待输能目标之间接收功率为任意比例;
(5)本发明可根据实际应用需求,对于输能效率与旁瓣值的不同侧重,来实现多目标选择性无线输能。
附图说明
图1多频无线输能***的结构示意图;
图2多频无线输能***的接收装置组结构框图;
图3多频无线输能***的发射装置组结构框图;
图4实例中所采用的金属混响腔模型;
图5实例中所采用的接收装置组结构框图;
图6实例中所采用的发射装置组结构框图;
图7实例中对EC4,EC5,EC6输能的场分布图形;
图8(a)实例中采用多频与单频输能的旁瓣值对比图;
图8(b)实例中采用多频与单频输能的效率对比图;
图8(c)实例中采用多频与单频输能的COST值对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本实施例提供一种多频多目标选择性输能方法与***,***的结构示意图如图1所示,其中1代表接受装置组ECG,2为选取的非待输能装置,3为选取的待输能装置,4为发射装置TR2~TRN,5为发射装置组TRM。
所述接收装置组的结构如图2所示,包括:受能天线AR1~ARM,用于发射正弦探测信号以及接收输能信号;信号源OSC1~OSCM,用于产生所选用频率的探测信号;负载LOAD1~LOADM,为需供电的设备负载,由直流驱动;整流装置PRU1~PRUM,用于将接收装置EC1~ECM接收到的多频正弦输能信号转换成直流能量,并提供给负载LOAD1~LOADM;开关S1~SM,用于切换受能天线AR1~ARM与信号源OSC1~OSCM或整流装置PRU1~PRUM之间的连接。其连接关系为:受能天线AR1~ARM通过开关S1~SM分别与信号源 OSC1~OSCM和整流装置PRU1~PRUM连接,整流装置PRU1~PRUM后端接上负载LOAD1~LOADM。
发射装置组的结构如图3所示,包括:输能天线AT1~ATN,用于接收探测信号以及发射输能信号;带通滤波器BPF1~BPFN,用于滤除除[fL,fH]带宽以外的杂波;波形检测模块WDM1~WDMN,用于记录接收装置组发射的探测信号波形;合路器SUM1~SUMN,分别将频率为的多个正弦输能信号合成一个多音信号;微波功率源OSC_F1~OSC_FA,分别用于产生频率为的正弦输能信号;功分器PD_F1~PD_FA,为N路等功率分配器,分别用于将微波功率源OSC_F1~OSC_FA产生的正弦信号等功率地分为N路,且信号的幅度与相位均相同;可调功率放大器PA1_F1~PAN_F1,…,PA1_FA~PAN_FA分别用于调节每一路频率为的单音输能信号幅度;移相器 PS1_F1~PS16_F1,…,PS1_FA~PS16_FA,分别用于调节频率为的单音输能信号相位;开关R1~RN,用于切换带通滤波器BPF1~BPFN与波形检测模块WDM1~WDMN或合路器SUM1~SUMN的连接。其连接关系为:输能天线AT1~ATN直接与带通滤波器BPF1~BPFN相连接,后端通过开关R1~RN分别连接波形检测模块WDM1~WDMN和合路器SUM1~SUMN。在发射装置 TR1中,合路器SUM1的每一路分别与可调功率放大器PA1_F1~PA1_FA相连,其后端分别与移相器PS1_F1~PS1_FA相连接,紧接着分别与功分器PD_F1~PD_FA的第一个端口相连接,其余发射装置TR2~TRN中的合路器 SUM2~SUMN后端连接方式与合路器SUM1相同。功分器PD_F1~PD_FA分别与对应的微波功率源OSC_F1~OSC_FA相连。
本发明通过增加发射装置组的部分拓扑结构来增加***输能频点数目;发射装置组的排列可根据具体输能场景边界形状来确定,可以是方形、圆形、不规则图形等,并且还可以采用非等间距的稀疏阵列来排布;收发装置组中采用的天线可根据实际应用需求来选取,可以是全向的偶极子天线或者微带贴片天线,天线的谐振点与带宽根据实际***的应用需要确定;为了避免多频信号同时馈入可调功率放大器中,产生交调信号分量,本实施例通过可调功率放大器与移相器只控制单频输能信号,然后利用合路器叠加生成多频信号,避免了交调分量引起的能量损耗。
基于上述装置,本实施案例的一种多频多目标选择性输能方法与***具体为:
步骤1.选取多频输能***的输能频点
步骤1-1.构建输能***
本实例所采用的***模型,如图4所示,在60cm×60cm×15cm的金属混响腔中,对于中间大小12cm×12cm的目标输能区域,在所需输能的位置处分别放置9个接收装置,从左到右从上到下编号EC1~EC9,构成输能***的接收装置组ECG,如图5所示。
同时,在金属混响腔的四周位置处,以12cm间距等距的放置16个发射装置,从左上顶点顺时针编号TR1~TR16,构成输能***的发射装置组TRM,如图6所示。9个接收装置与16个发射装置均采用中心频率2.45GHz、带宽500MHz 的贴片单极子天线。
步骤1-2.提取输能***信道参数
以50MHz的频率间隔将***输能带宽范围2.2GHz~2.7GHz离散化得到 10个频点f1,…,f10。
提取出这10个不同频点下的***输能信道参数,具体操作步骤分为以下四步:
(1)在接收装置组处,OSC1~OSC9都选用频点为f1的正弦信号源,使开关S1与OSC1相连,其余S2~S9则分别与PRU2~PRU9相连,将信号源OSC1产生的探测信号馈入接收装置EC1中;
(2)在发射装置组处,将开关R1~R16分别与WDM1~WDM16相连,从 WDM1~WDM16记录下的波形中分别提取频点为f1的幅度与相位,组成接收装置EC1与发射装置组TR1~TR16之间在频点f1下的的正弦信号信道参数矩阵h11∈C16×1;
(3)依次更换接收装置EC2…,EC9为使能装置,重复上述(1)(2)步骤,分别测得与周围发射装置组TR1~TR16之间的信道参数矩阵为h21,…,h91,即可得在频点f1下的正弦信号信道参数矩阵为:H1=[h11,...,h91]T∈C9×16;
(4)分别改变接收装置的馈源OSC1~OSC9的频点为f2,…,f10,重复上述(1) (2)(3)步骤,可得到在频点为f2,…,f10下的输能***正弦信号信道参数矩阵为:H2,…,H10。
步骤1-3.输能***频点的选择
选取输能区域所有接收装置EC1~EC9作为待输能目标,对这9个待输能目标输能的总效率代表整个输能区域的总效率。
利用步骤1-2提取的输能信道参数H1,…,H10,运用MATLAB软件计算10个不同频率下矩阵的最大特征值,计算结果见表1所示。依据大小排序选择表格中两个最大值对应的频点,即将两个频点作为***的输能频点。
表1.10个不同频点下的矩阵最大特征值
步骤2.多目标选择性无线输能的实现
步骤2-1.设定***优化变量及优化指标
选定需要输能的接收装置,假设从9个接收装置中选出3个待输能目标分别为EC4、EC5、EC6,则其余6个非待输能目标为EC1、EC2、EC3、EC7、EC8、 EC9。
设定***优化变量如下:
设置***优化指标如下:
多频输能***考虑的指标为旁瓣值SLL和效率值η,为了兼顾***的两个输能指标,设置***最大效率阈值ηth=0.8与最小旁瓣阈值SLLth=-10dB,设置两者优化权重系数为w1=1、w2=10,用代价函数COST表示两者联合优化指标:COST=w1·(SLL-SLLth)+w2·(ηth-η)。
步骤2-2.***馈入信号的优化
根据选出的3个待输能目标EC4、EC5、EC6,设定在3个待输能目标之间的功率分配比w'=[1,1,1],即满足Pr,4=Pr,5=Pr,6。为了得到***在2个输能频点下的最佳馈入信号,以加权因子x1、x2为优化变量,对***的旁瓣值SLL、输能效率η两指标进行联合优化,具体优化问题可表征为如下:
s.t.Pr,4=Pr,5=Pr,6
步骤2-3.***馈入信号的传输
通过上述计算或优化得到各个频点的馈入信号s1、s2,叠加成总馈入信号 s=s1+s2,将该总馈入信号分别馈入N个发射装置TR1~TRN中,即可实现对预期3个待输能目标EC4、EC5、EC6进行高效、低旁瓣的能量传输。
具体操作步骤分为以下三步:
(1)在接收装置组处,将开关S1~S9与PRU1~PRU9相连;在发射装置组处,将开关R1~R16与合路器SUM1~SUM16相连,OSC_F1选用能产生频率为2.45GHz正弦信号的微波功率源,OSC_F2选用能产生频率为2.55GHz 的正弦信号微波功率源;
(2)根据2.45GHz馈入信号s1中每一路的幅度、相位,调整PA1_F1~PA16_F1 与PS1_F1~PS16_F1,使得每一路产生相应幅度、相位的2.45GHz正弦信号;同理,根据2.55GHz馈入信号s2中每一路的幅度、相位,调整 PA1_F2~PA16_F2与PS1_F2~PS16_F2,使得每一路产生相应幅度、相位的2.55GHz正弦信号;每一路产生的两频率的单音正弦信号,通过合路器SUM1~SUM16,合成一个双音信号馈入发射装置组中的天线;
(3)在接收装置组处,预期输能的3个接收装置EC4、EC5、EC6天线处同时接收到发射装置组发送的双频输能信号,通过PRU4、PRU5、PRU6将接收到的双频输能信号转换成供负载LOAD4,LOAD5,LOAD6使用的直流能量。同时,其余6个非预期输能的接收装置EC1、EC2、EC3、EC7、EC8、 EC9处,产生较低的旁瓣能量。
若改变了输能场景,则需要跳转到步骤1,重新进行多频无线输能***频率的选取,再依次执行步骤2中操作;若未改变输能场景,只是更换待输能目标,则只需跳转到步骤2,重新依次执行步骤2中的相关操作,即可实现对新选取目标的选择性无线输能。
本实例利用电磁仿真软件CST Studio Suite 2016对其进行仿真,对接收装置EC4,EC5,EC6进行输能的场分布图形,如图7所示。从图中可以明显看出,能量几乎只在EC4,EC5,EC6三个待输能目标处产生聚集,其余地方能量分布很小。
为了证实该方法的普遍性与有效性,本实例还另外任意选取了5组待输能目标,进行仿真验证,我们将本实例仿真中共6组待输能目标依次编号为序号1~6,分别是:序号1(EC4,EC5,EC6),序号2(EC1,EC3,EC5,EC8),序号 3(EC1,EC4,EC7,EC8),序号4(EC1,EC2,EC3,EC5,EC8),序号5(EC2,EC4,EC6,EC8),序号6(EC1,EC2,EC3,EC5,EC7,EC8,EC9)。这6组仿真结果对比,如图8所示,其中图8(a)为单频与多频旁瓣值的对比图,图8(b)为单频与多频效率值的对比图,图8(c)为单频与多频COST值的对比图。从图中可以直观的看出,在对任何组合的多目标输能情形下,采用多频输能信号的旁瓣值与效率值相比于单频都是最优的,两者的联合优化指标COST始终处于最小值,表明采用多频输能信号的无线输能方式是一种可以兼顾高效率、低副瓣的输能方法。
Claims (3)
1.一种多频多目标选择性无线输能方法,包括以下步骤:
步骤1.选取多频输能***的输能频点
步骤1-1.构建输能***
在目标输能区域放置M个接收装置EC1~ECM,构成输能***的接收装置组ECG;
在输能区域外侧环绕放置N个发射装置TR1~TRN,构成输能***的发射装置组TRM;
步骤1-2.提取输能***信道参数
基于步骤1-1构建的输能***,检测输能***中的最大多径时延τmax,从而得到对应的相干带宽为以2ΔB的频率间隔,将***采用的输能带宽范围[fL,fH]离散化得到K个频点f1,…fk,…fK,1≤k≤K,并提取出这K个不同频点下的输能***信道参数矩阵H1,…Hk,…HK;
步骤1-3.输能***频点的选择
选取输能区域所有接收装置EC1~ECM作为待输能目标,这M个待输能目标输能的总效率代表整个输能区域的总效率;
输能频点的选取操作步骤如下:
步骤2.多目标选择性无线输能的实现
步骤2-1.设定***优化变量及优化指标
设定***优化变量如下:
设置***优化指标如下
(3)为了兼顾***的两个输能指标,设置最大效率阈值ηth与最小旁瓣阈值SLLth,用代价函数COST表示两者联合优化指标:COST=w1·(SLL-SLLth)+w2·(ηth-η),w1、w2表示SLL与η之间的优化权重系数;
步骤2-2.***馈入信号的优化
根据实际需求,设定出E个待输能目标之间的功率分配比w'=[w'1,w'2,…,w'E],即满足其中表示E个待输能目标分别接收到的输能信号功率;为了得到***A个输能频点下的最佳馈入信号,以加权因子为优化变量,对***的旁瓣值SLL、输能效率η两指标进行联合优化,具体优化问题表征如下:
步骤2-3.***馈入信号的传输
2.如权利要求1所述的一种多频多目标选择性输能方法,其特征在于,所述步骤1-2中,提取K个不同频点下的输能***信道参数,包括步骤如下:
(1)将频率为f1的正弦信号通过接收装置EC1~ECM发射,N个发射装置TR1~TRN接收并记录该正弦信号,即总共M组频率为f1的信道参数矩阵表示为H1=[h11,…hm1,...hM1]T∈CM×N,其中,hm1表示第m个接收装置ECm与N个发射装置TR1~TRN之间频率为f1的幅度相位信息,1≤m≤M,上标T表示矩阵转置,CM×N表示M×N的复矩阵;
(2)另外选用频率为f2,…fk,…fK的正弦信号,依次重复进行上述操作,提取频率f2,…fk,…fK下的正弦信号信道参数矩阵H2,…Hk,…HK。
3.如权利要求1所述的一种多频多目标选择性输能方法,其特征在于,步骤2-2中,所述全局优化算法为单纯形算法、遗传算法、或者蚁群算法。
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CN113364474A (zh) * | 2021-05-20 | 2021-09-07 | 电子科技大学 | 基于时间反演的动态增益无线输能***及方法 |
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