CN113872343A - 无线能量传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无线能量传输方法，包括测试步骤和工作步骤；所述测试步骤包括：每个天线单元接收测试电磁波信号；接收端对接收到的每个测试电磁波信号进行处理，至少得到每个天线单元接收到的测试电磁波信号的幅度和相对相位关系；工作步骤包括：发射端控制每个天线单元发射辐射电磁波，天线单元发射的所述辐射电磁波的相位差与对应的所述天线单元接收到的测试电磁波信号的相位差大小相等，符号相反。工作端接收辅助端发射测试电磁波，并调试与测试电磁波反向的辐射电磁波，向目标汇集位置发射，实现能量的“汇集”，配合介质匹配腔，模拟不同的环境场景，使整个***能够对该场景适用。
Description
技术领域
本发明涉及无线能量传输领域，尤其涉及无线能量传输方法。
背景技术
无线能量传输是指能量不经过直接的物理接触而在空间中从能量发射端到能量接收端的传输过程。常见的无线能量传输采用平面感应线圈实现，在电磁近场区传输，而能量会随传播距离增加迅速衰减，因此传播距离有限。
以电磁波为载体的无线能量传输方式能在较远的距离上传输能量，电磁波形成汇集的基本原理是通过控制电磁波的相位对波程的延迟进行补偿，使能量在特定位置上同相叠加，形成能量“汇集”。汇集式无线能量传输在工业领域和医疗领域具有广泛应用前景，如为植入式医学电子装置或注入人体的纳米机器人无线供电，或为体内应用的铁磁性纳米颗粒提供电磁场引导，以及用于局部靶向热消融治疗、近场通信及非接触传感器供电等用途。而电磁波在参数复杂的场景，如在人体介质内传播时，会不断地产生散射和吸收，汇集目标位置与天线单元位置的波程按照常规估算的方法其精度将受到影响，甚至无法形成汇集，同时天线单元的发射功率还受到国家规范对电磁安全限值的约束，因此如何在复杂传播环境下实现能量的有效聚集仍然是中远距离无线能量传输技术中存在的一个重要问题。
发明内容
本发明提供一种无线能量传输方法，能够实现有效的能量汇集，完成能量的无线传输。
无线能量传输方法，包括：测试步骤和工作步骤；所述测试步骤包括：每个天线单元接收测试电磁波信号；接收端对接收到的每个测试电磁波信号进行处理，至少得到每个天线单元接收到的测试电磁波信号的幅度和相对相位关系；工作步骤包括：发射端控制每个天线单元发射辐射电磁波，天线单元发射的所述辐射电磁波的相位差与对应的所述天线单元接收到的测试电磁波信号的相位差大小相等，符号相反。
优选的，滤波放大器对接收到的测试电磁波信号进行滤噪放大；第一信号发生器生成第一本征信号，混频器将第一本征信号与滤噪放大后的测试电磁波信号混频，形成混频信号；模数转换器将混频信号转化为数字信号，通过对所述数字信号分析获得测试电磁波信号的幅度和相对相位关系。
优选的，第二信号发生器生成第二本征信号，移相器调整所述第二本征信号的电磁波相移，再经功率放大器放大处理，以控制所述天线单元发射所述辐射电磁波。
优选的，在所述测试步骤中，切换开关控制所述天线单元联通至所述接收端；在所述工作步骤中，切换开关控制所述天线单元联通至所述发射端。
优选的，所述天线单元的数量≥Pneed/Prfar，其中，Pneed为所述天线单元所需的接收功率值；Prfar＝Pt*GtGrλ2/(4πRfar)2，λ为天线单元发射辐射电磁波在自由空间中的波长，Pt为天线单元的发射功率，Gt为天线单元的增益，Gr为能量接收天线的增益，Rfar是天线单元距离功率传输目标位置的最远距离。
优选的，所述测试电磁波由辅助端发射；所述辅助端具有：辅助电路、辅助发射天线和介质匹配腔；所述介质匹配腔位于所述辅助发射天线的发射路径上；所述辅助发射天线位于汇集目标位置处；所述汇集目标位置是辐射电磁波实现能量同相叠加的位置。
本发明的无线能量传输方法，工作端接收辅助端发射测试电磁波，并调试与测试电磁波反向的辐射电磁波，向目标汇集位置发射，实现能量的“汇集”，配合介质匹配腔，模拟不同的环境场景，使整个***能够对该场景适用。
附图说明
图1为本发明无线能量传输方法的流程图；
图2为本发明无线能量传输方法对应的***结构示意图；
图3为本发明无线能量传输方法中处理器和发射端的部分示意图；
图4为本发明无线能量传输方法中天线阵列的示意图。
附图标记：
工作端A、辅助端B、处理器1、接收端2、发射端3、天线阵列4、切换开关5、辅助发射天线6、介质匹配腔7、移动平台8、滤波放大器21、混频器22、模数转换器23、第一信号发生器24、数模转换器31、移相器32、功率放大器33、第二信号发生器34、天线单元41、天线线阵42、天线子阵列43、辅助信号发生器81、辅助功率放大器82。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明公开一种无线能量传输方法，该方法能够实现无线能量的“汇集”。通过对波程的延迟进行补偿，使能量在特定位置上同相叠加，形成能量“汇集”。该能量的“汇集”不仅仅能够实现无线充电，还能实现对目标汇集位置的加热。例如可以用于对微型电子设备的无线充电、为植入人体内的电子设备充电，也可以用于热疗等等。这些仅作为可使用的例举，其他需要能量汇集的场所，均可以使用本申请的无线能量传输方法。
本发明的方法，主要分为测试步骤和工作步骤，如图1所示，测试步骤中，每个天线单元41接收测试电磁波信号；接收端2对接收到的每个测试电磁波信号进行处理，至少得到每个天线单元41接收到的测试电磁波信号的幅度和相对相位关系。从上述可知，天线单元41具有多个。
工作步骤包括：发射端3控制每个天线单元41发射辐射电磁波，天线单元41发射的所述辐射电磁波的相位差与对应的所述天线单元41接收到的测试电磁波信号的相位差大小相等，符号相反。
为了方便理解，对实现上述的功能的设备结构进行说明。
如图2所示上述的接收端2和发射端3分别和处理器1联通，通过处理器1对各部分进行控制，以及实现对信息的处理等。还包括有切换开关5，该切换开关5能够控制天线单元41与接收端2还是发射端3连接。在所述测试步骤中，切换开关5控制所述天线单元41联通至所述接收端2；在所述工作步骤中，切换开关5控制所述天线单元41联通至所述发射端3。从这点可知，天线阵列4即能够实现电磁波的发射功能，也能够实现电磁波的接收功能。
上述的测试电磁波由辅助端B发射，对应于辅助端B，上述处理器1、接收端2、发射端3和天线阵列4属于工作端A。辅助端B具有：辅助电路、辅助发射天线6和介质匹配腔7；所述介质匹配腔7位于所述辅助发射天线6的发射路径上，辅助发射天线6发射的测试电磁波会经过介质匹配腔7，一般可以将辅助发射天线6设置在介质匹配腔7内，或者在介质匹配腔7后，这里的“后”是指背离工作端A的一侧。辅助发射天线6可以向天线阵列发射测试电磁波。所述辅助电路包括：辅助信号发生器81和辅助功率放大器82。
接收端2包括多组彼此独立的处理电路；发射端3包括多组彼此独立的工作电路；天线阵列4包括多组彼此独立的天线单元41；处理电路、所述工作电路和所述天线单元41的数量相同。当天线阵列4和发射端3连接时，每个天线单元41与分别和一个工作电路联通，当天线阵列4和接收端2连接时，每个天线单元41与分别和一个处理电路联通。也就是说，接收端2可以保证接收到每个天线单元41接收到的电磁波，分别经过一个独立的处理电路进行处理，而发射端3可以保证每个天线单元41都通过独立的工作电路控制进行辐射电磁波的发射。
处理电路包括依次连接的滤波放大器21、混频器22和模数转换器23；工作电路包括依次连接的数模转换器31、移相器32和功率放大器33；天线阵列4通过所述切换开关5择一地连接到所述滤波放大器21和功率放大器33。接收端2还包括第一信号发生器24，连接至所述混频器22；发射端3还包括第二信号发生器34，连接至所述移相器32。
滤波放大器21对接收到的测试电磁波信号进行滤噪放大；第一信号发生器24生成第一本征信号，混频器22将第一本征信号与滤噪放大后的测试电磁波信号混频，形成混频信号。模数转换器23将混频信号转化为数字信号，通过对所述数字信号分析获得测试电磁波信号的幅度和相对相位关系。
第二信号发生器34生成第二本征信号，移相器32调整所述第二本征信号的电磁波相移，再经功率放大器33放大处理，以控制所述天线单元41发射所述辐射电磁波。
天线阵列4中的天线单元41发射的辐射电磁波在空间中其电场和磁场相互干涉后矢量叠加，在能量接收区域相位相同的叠加则总场强会增大，相位相反叠加则总场强会减弱。汇集式无线能量传输可以通过控制天线单元41发射的辐射电磁波相位，使所有天线单元41发出的辐射电磁波在目标汇集点上的相位同相叠加，在其它位置上相互抵消，从而在目标位置汇集场强，并且在汇集点以外使电磁波发散，例如在应用在注入人体的纳米机器人无线供电时，可以减小对人体和电磁环境的影响。
在测试步骤中，天线阵列4连接到接收端2，天线阵列4的天线单元41作为接收天线接收辅助天线6的发射的测试电磁波。每个天线单元41对应的设置有独立的接收通道，也就是上述的处理电路。各个天线单元41的接收到的测试电磁波信号输入到滤波放大器21，将信号在过滤噪声后放大，放大后的信号输入到混频器22的输入端口，在另一端口与第一信号发生器24产生的本征信号混合，经过混频后的信号称为混频信号，将混频信号输出到模数转换器23的输入端口，由模数转换器23将输入信号转换为数字信号后输出到处理器1，由处理器1分析而获取混频信号的幅度和相位信息，得到各个天线单元41接收到的测试电磁波信号的幅度和相对相位关系。入射波(即测试电磁波)到达各个天线单元41时传播过的路径长度不同，各天线单元41接收到的相位存在着相位差。测试电磁波信号到达天线阵列4时，将第1个天线单元41接收到的信号相位记作0，则后续到达第2，第3，…，第Z个的相位依次记为-ψ2，-ψ3，…，-ψZ，分析后得到各路信号的相位和幅度信息传输存储在处理器1内。
辅助端B会移动不同的位置发射测试电磁波，由处理器1分析和记录在各个位置点发出的测试电磁波信号被各天线单元41接收到的幅度和相位关系。辅助端B可以具有移动平台8，辅助电路、所述辅助发射天线6和所述介质匹配腔7均设置在所述移动平台8上，通过移动平台8改变位置。
按照麦克斯韦尔波动方程和光路可逆的原理，天线单元41按沿接收测试电磁波信号的路径反向发射辐射电磁波，当发射的辐射电磁波相位的领先与落后关系正好与接收情况下反转后，天线单元41发射出能量将按原路径反向汇集到测试电磁波的发射位置点。通过该原理就可以知晓需要进行无线能量传输时的参数情况。
当需要能量无线传输时，切换开关5使天线阵列4与发射端3连接。参见图3，各天线单元41对应有多个发射通道，即上述的工作电路。每个工作电路相应的配置移相器32、数模转换器31和功率放大器33。同时第二信号发生器34产生的第二本征信号分为多路输入到对应的各个移相器32，移相器调整第二本征信号的电磁波相位，即根据存储在处理器1中目标位置输出各个天线单元41所需要的相移，使各天线单元41的相对相位差与接收测试电磁波信号时各天线单元41的相对相位差大小相等符号相反。即对第1，第2，第3，…，第Z个天线单元41发出的电磁波相位依次为0，ψ2，ψ3,…，ψZ。移相器32输出的电磁波经过功率放大器33进行放大，再由各个天线单元41向外发射出与接收测试电磁波时等幅的能量。上述第二信号发生器34与第一信号发生器24所产生的第一本征信号和第二本征信号是相同或同相的，发射端2和接收端3的信号发生器也可以共用一个。
经过上述过程，通过辅助端B的测试电磁波，最终保证了发射端3通过天线阵列4发出的辐射电磁波，能够在辅助发射天线处形成“汇集”。也就是在目标位置形成“汇集”。
各个天线单元41的发射出的辐射电磁波能量到达目标位置时理论上是等相的，此时，所有电磁波在目标位置相互叠加形成能量的汇集点。在汇集点如有配置有能量接收天线，能量接收天线则会耦合所汇集的能量，从而实现能量的无线传输。例如在在现代生物医疗技术中，常常会应用生物物理手段来治疗一些疾病，可以利用汇集电磁能量直接作用于人体内的深层组织，使其在特定靶区域内产生高热量，杀死的病菌、寄生虫、癌细胞等，而这种方式对汇集位置周围的其他正常组织不构成影响。在进行这种称为“热疗”或“热消融治疗”的操作时，对于目标位置的定位，一般要在超声波、CT或者核磁共振成像等设备的引导之下进行，由其确定目标治疗位置，再由信号处理器根据天线阵列与目标位置的距离调整天线单元41所发射的辐射电磁波的相位。在治疗过程中，还需要通过植入式或非接触式的方式对汇集点进行测温，控制和调节对汇集点的能量传输功率。
上述的方法可以应用于植入式医学电子装置、纳米机器人或进行热疗等用途时，天线阵列发出的辐射电磁波要经过人体，由于介电常数不同，电磁波在空气中和在人体内的传播特性不同，电磁波在人体介质中传播时，不断地产生散射、发射和衍射等，从而产生传播路径的变化。因此本申请具有介质匹配腔7，当应用于上述用途的实施例时，辅助发射天线放置于介质匹配腔7内或介质匹配腔7后，并在其内部或后部的汇集目标位置发出测试电磁波，测试电磁波的传播路径在介质匹配腔7中发生变化，其传播方向通过传播空间后被连接到接收端2的天线阵列4接收并记录下来，天线阵列4再通过与发射端3连接，重新发射的辐射电磁波将回溯传播通道，通过与前向传播过程中发生相似的散射，反射和衍射后，最终将能量在辅助源所在的位置汇聚，从而形成能量汇集点。所述介质匹配腔7按照人体结构和具体作用位置分为多层，每一层用和人体介电常数相近的低损耗物质填充，如将甘油和水按一定比例混合，并加入氯化钠和糖等成分进行调节，使其介质特性与人体相近。
出于对于人体或其他生物体的潜在安全性影响和电磁干扰的考虑，主管部门和相关组织对电磁波的发射强度都有限值的规定，例如我国工信部在《微功率短距离无线电发射设备目录和技术要求》中就规定了不同使用频率段的微功率无线电设备的发射功率限值。而国际和国外的无线电监管团体包括ITU(国际电信联盟)、ICNIRP(国际非电离辐射委员会)、ETSI(欧洲电信标准化协会)、FCC(美国联邦通信委员会)等。
无线能量传输方法的功率范围，符合相应的标准或要求，例如功率设有限值PL，则天线单元41的发射功率Pt设计为不超过PL，天线单元41总数量的确定按照PL和所需的接收功率值Pneed共同确定，天线单元41的数量确定流程如下：
对于一个天线单元41所发出的辐射电磁波在目标位置所接收到的的功率Pr，根据天线理论中的弗里斯传输公式，有Pr＝Pt*GtGrλ2/(4πR)2，其中，其中λ为天线单元41发射辐射电磁波在自由空间中的波长，Pt为天线单元41的发射功率，Gt为天线单元41的增益，Gr为能量接收天线的增益，能量接收天线是指在无线能量传输时，用来接收天线单元41发射的能量的天线，也就是能量接收端的能量接收天线；当用于加热人体深层组织时，则组织等效为天线。R为天线单元41和汇集目标位置(功率传输目标位置)之间的距离。对于天线阵列中天线单元41的数量应满足≥Pneed/Prfar，其中Prfar＝Pt*GtGrλ2/(4πRfar)2，其中Rfar是天线单元41距离功率传输目标位置的最远距离。在满足上述的条件下，天线单元41的发射功率Pt不会超过PL，实际传输到所有目标位置的功率的能力会超过目标位置所需功率值，因此也具有一定的能量传输的调控范围。
天线单元41优选的采用微带贴片天线的形式，天线单元41的形状可以是任意的，可以是圆形、圆环形、矩形、三角形和多边形等，其具体的形状是根据需求来确定的，贴片天线的长度一般为λ/2，即半个导波长。每个相邻天线单元41之间的间距相等，为减小耦合效应，相邻天线单元41之间的间距优先的均为λ/2。天线单元41为三层结构，作为发射电磁波的辐射体设置在基板正面，基板底面是接地板。
如图4所示，多个天线单元41组成天线线阵42，多个天线线阵42组成天线子阵列43，多个天线子阵列43组成所述天线阵列4。将天线单元41的数量认为是Z，每N个天线单元41组成天线线阵42，每M个天线线阵42组成天线子阵列43，每L个天线子阵列43组成天线阵列4。天线单元41共计使用L*M*N个。
在一种实施例中，天线阵列4的形状是球体或半球体，天线线阵呈弧形设置，多个弧形的天线线阵同轴设置形成弧面形天线子阵列，多个弧面形的天线子阵列形成球形或半球形的天线阵列4。
采用球体或半球体的设置，其一个优势是各个天线单元41到球心的距离波程相等，所发出电磁波的传播路径不被改变，理论上电磁波到达球心是同相汇集的，如要对特定目标位置点无线传输能量时，将目标位置点移动到球心位置即可。现有技术中，一般的发射天线也会采用这种方式布置，因为其不具备对相位的调整功能，只有采用球体结构的设置，用来保证各个天线到球心的距离一致，以实现“汇集”。现有技术采用这种布置方式不能改变传播路径和传播介质，也不能改变“汇集”的位置，同时这种结构的理想的状况需要天线直接与球面共形，但其加工难度大、成本高、操作复杂。
对于本申请来说，球体或半球体的设置，仅作为一个可选的形式，其他结构同样可以使用，例如采用多面体或平面结构均可。本方案即使采用球体或半球体，对于改变传播路径、改变“汇集”位置，都不影响工作。
下面以一个实施例来说明天线阵列4呈多面体结构的方案，该方案中多面体可是多个呈面型的天线子阵列有角度的组合而成。该多面体可以是完整的结构，也可是多面体的一部分。例如正四面体，或者也可以是没有底面的“正四面体”，也就是上面说的多面体的一部分。
在一些实施方式中，也可以多个子阵列在一个平面上，多个天线子阵列形成的天线阵列4也为平面，这种情况可以认为天线子阵列的数量为1，也就是这一个天线子阵列即为天线阵列4。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种无线能量传输方法，其特征在于，包括：
测试步骤和工作步骤；
所述测试步骤包括：
每个天线单元(41)接收测试电磁波信号；
接收端(2)对接收到的每个测试电磁波信号进行处理，至少得到每个天线单元(41)接收到的测试电磁波信号的幅度和相对相位关系；
工作步骤包括：
发射端(3)控制每个天线单元(41)发射辐射电磁波，天线单元(41)发射的所述辐射电磁波的相位差与对应的所述天线单元(41)接收到的测试电磁波信号的相位差大小相等，符号相反。
2.根据权利要求1所述的无线能量传输方法，其特征在于，
滤波放大器(21)对接收到的测试电磁波信号进行滤噪放大；
第一信号发生器(24)生成第一本征信号，混频器(22)将第一本征信号与滤噪放大后的测试电磁波信号混频，形成混频信号；
模数转换器(23)将混频信号转化为数字信号，通过对所述数字信号分析获得测试电磁波信号的幅度和相对相位关系。
3.根据权利要求1所述的无线能量传输方法，其特征在于，
第二信号发生器(34)生成第二本征信号，移相器(32)调整所述第二本征信号的电磁波相移，再经功率放大器(33)放大处理，以控制所述天线单元(41)发射所述辐射电磁波。
4.根据权利要求1所述的无线能量传输方法，其特征在于，
在所述测试步骤中，切换开关(5)控制所述天线单元(41)联通至所述接收端(2)；
在所述工作步骤中，切换开关(5)控制所述天线单元(41)联通至所述发射端(3)。
5.根据权利要求1所述的无线能量传输方法，其特征在于，
所述天线单元(41)的数量≥Pneed/Prfar，其中，Pneed为所述天线单元所需的接收功率值；Prfar＝Pt*GtGrλ2/(4πRfar)2，λ为天线单元(41)发射辐射电磁波在自由空间中的波长，Pt为天线单元(41)的发射功率，Gt为天线单元(41)的增益，Gr为能量接收天线的增益，Rfar是天线单元(41)距离功率传输目标位置的最远距离。
6.根据权利要求1所述的无线能量传输方法，其特征在于，
所述测试电磁波由辅助端(B)发射；
所述辅助端(B)具有：辅助电路、辅助发射天线(6)和介质匹配腔(7)；所述介质匹配腔(7)位于所述辅助发射天线(6)的发射路径上；
所述辅助发射天线(6)位于汇集目标位置处；
所述汇集目标位置是辐射电磁波实现能量同相叠加的位置。
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