一种适用于移动目标的微波输能系统及仿真方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于移动目标的微波输能系统及仿真方法，用于实现非高斯分布发射波形‑‑平坦波束，作为微波无线输能系统的发射口径电平。为了实现上述目的，所述微波输能系统采用包括分布式天线阵的发射模块和接收模块，实现多频多点对多点微波无线输能，大功率不受局限，应用更灵活。所述微波输能系统采用非高斯分布波形的平坦波束作为发射口径电平，可以在接收阵面上得到均匀分布的功率密度，整流二极管的功率容量都是一样的，整流天线可以均匀设计，降低设计难度；同时，均匀分布的功率密度可以提高整流天线的转换效率，进而提升整个系统的效率；此外，该设计还能够解决传统高斯分布波形因为目标移动导致聚焦中心点偏离而烧毁整流天线的问题。

A Microwave Energy Transfer System and Its Simulation Method for Mobile Targets

The invention discloses a microwave energy transmission system and a simulation method suitable for mobile targets, which is used to realize non-Gauss distribution transmission waveform In order to achieve the above purpose, the microwave energy transmission system adopts transmitting module and receiving module including distributed antenna array to realize multi-frequency, multi-point to multi-point microwave wireless energy transmission, high power is not limited, and the application is more flexible. The microwave energy transmission system uses the flat beam of non-Gaussian distribution waveform as the transmitting aperture level, and can obtain uniformly distributed power density on the receiving array. The power capacity of the rectifier diode is the same. The rectifier antenna can be uniformly designed to reduce the difficulty of design. Meanwhile, uniformly distributed power density can improve the conversion efficiency of the rectifier antenna, thereby improving the rectification. In addition, the design can also solve the problem that the traditional Gauss distribution waveform burns the rectifier antenna due to the deviation of the focus center due to the moving of the target.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于移动目标的微波输能系统及仿真方法
本专利技术涉及及微波传输领域，更具体地，涉及一种适用于移动目标的微波输能系统及仿真方法。
技术介绍
目前，微波无线输能系统主要由发射、空间传播、接收整流三部分组成，如图1所示。发射端微波功率发生器将直流能量转化为微波能量，然后利用天线将微波能量发射，经自由空间传输，接收端整流天线将微波能量接收和整流，转化为直流能量。现有技术需要特别设计发射天线和接收整流天线的口径电平形式，发射天线口径场电平分布需要设计成高斯分布形式，中心发射功率高，周边发射功率低，功率大小符合高斯分布，一般采用相控阵天线来实现该分布，成本高；接收整流天线也要相对应的设计成高斯分布形式，中心天线低增益高密度，外围天线高增益低密度，设计难度较大。现有整流天线中整流二极管的功率容量只能根据功率密度的理论计算结果来设计，实际应用时，会因为计算结果和实际功率密度的不一致，导致整流天线转换效率的降低。现有技术的发射波形和接收整流天线都是根据高斯分布设计的，适用于静止目标的微波无线输能，在移动目标上应用时很容易因为中心聚焦点的偏移，造成周边高增益低密度的整流单元功率密度过高，烧毁整流电路，威胁系统使用安全性，因此不适用于移动目标的微波无线输能。现有技术采用单频单点对单点或单频多点对单点的微波无线输能发射系统，因为频率相同，因此需要同源设计，大功率应用时微波源受局限，不能分布式组阵，且同频聚焦算法较为复杂，无法精确地实现高斯分布设计。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的缺陷，在适应移动目标应用需求的同时，保证较高的捕获效率和整流天线转换效率，提供一种适用于移动目标的微波输能系统及仿真方法。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种适用于移动目标的微波输能系统，包括：发射模块、接收模块和控制模块；所述发射模块包括激励源、功率放大器和发射天线，激励源产生微波信号并发送至功率放大器，功率放大器将所述微波信号放大并通过天线发送至接收模块；所述发射模块的组阵方式为多频多区域设置，区域内发射天线同源相干，区域间不同频不相干，通过自聚焦控制算法在接收阵面上形成多个不同频率的聚焦点，使得接收阵面整个平面上接收到功率密度相对均匀，实现平坦波束；所述接收模块包括整流天线、负载和参数检测模块，整流天线为均匀分布的阵面，适配和接收发射系统的平坦波束，并将所述微波信号转换至直流信号，将所述直流信号传输至负载；所述参数检测模块与整流天线连接，用于检测整流天线的工作状态和负载功率的参数并发送至控制模块，控制模块根据接收到的参数进行发射模块的开关和功率调整；所述发射模块和接收模块进行无线连接，控制模块分别和发射模块和接收模块进行信号连接。优选地，所述发射天线和整流天线均为由若干个天线组成的天线阵，用于实现进行多频多点对多点的微波能量聚合方式。优选地，所述参数检测模块包括通信模块、处理器和微波传感器，用于收集整流天线的状态和参数信息并发送至控制模块。优选地，所述控制模块包括通信模块和处理器，通过通信模块分别与参数检测模块和激励源进行信号连接，分析整流天线的状态并调整激励源相应的输出功率和开关。优选地，所述发射天线为由1根中心发射天线和6根边缘发射天线组成的六边形天线阵。一种适用于移动目标的微波输能系统的仿真方法，包括以下步骤：S1.采用Matlab软件进行计算，获取发射模块A和接收模块B的天线阵信息，计算和绘制三维归一化功率密度图，通过寻找变量调整规则，得到最优化的功率密度分布，要求能量聚合有效面上功率密度波动小于3dB，波束滚降系数趋近于1，得到功率值P点；S2.获取工作频率f、收发间距L、天线口径D和天线间距d，将7个发射天线和7个接收天线标示在三维坐标上，得到A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、B1、B2、B3、B4、B5、B6和B7，其中，中心发射点A7作为原点，Φ为相对于口径法线的角度；S3.通过步骤S1的三维坐标，得到和的矢量坐标，首先得到以下矢量余弦函数：还得到：S4.将所述步骤S2的代入公式2，得到：其中，为发射天线A1相对于接收模块B的口径法线的角度；S5.将代入归一化场强函数：其中，为发射天线A1在P点处的归一化场强大小EA1p(φA1)；D为发射天线口径直径，其单位为m；λ为波长，其单位为m；Φ为相对于口径法线的角度；J1为一阶贝塞尔函数；S6.根据所述步骤S2-S5进行A2、A3、A4、A5、A6、A7、B1、B2、B3、B4、B5、B6和B7在P点处的归一化场强大小计算并代入以下公式：其中，Sp为P点处的功率密度值，EiMAX(φi)为发射天线在接收面上场强最大点的值；S7.采用Matlab对所述步骤S6的Sp值进行仿真求解，利用绘图工具进行三维图形描绘，得到平坦波束的功率密度分布波形图。与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：本专利技术方案采用多频多点对多点能量聚合方式追求实现波束滚降系数趋近于1的平坦波束，可达到如下效果：同时保证较高的捕获效率和整流天线转换效率，可以得到在3dB波动范围内的波束能量占总能量80％的波束，意味着可以同时得到高的捕获效率和高的转换效率；适应移动目标应用需求，高斯分布方式应用于移动目标时，存在由于中心聚焦偏移导致非均匀分布形式的整流天线局部单元功率过高而瞬时烧毁的弊端，只适用于对静止目标的无线输能；平坦波束设计在中心发生偏移时，只会损失部分能量，但不会烧毁整流天线，适合移动目标应用；另外，均匀分布设计的整流天线可以异形设计，更容易实现与移动目标的共形；发射系统可以分布式布阵，各区域子阵为不同频设计，可以间隔一定的距离分布式布设，根据移动目标的需求选择性组阵，实现对移动目标的共同输能或者接续输能，应用更加灵活。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是适用于移动目标的微波输能系统示意图。图2是发射天线组阵算法计算模型示意图。图3是多频多点对多点能量聚合方式得到的平坦波束的第一仿真图。图4是多频多点对多点能量聚合方式得到的平坦波束的第二仿真图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案做进一步的说明。一种适用于移动目标的微波输能系统，如图1所示，包括：发射模块、接收模块和控制模块；所述发射模块包括激励源、功率放大器和发射天线，激励源产生微波信号并发送至功率放大器，功率放大器将所述微波信号放大并通过天线发送至接收模块；所述发射模块的组阵方式为多频多区域设置，区域内发射天线同源相干，区域间不同频不相干，通过自聚焦控制算法在接收阵面上形成多个不同频率的聚焦点，使得接收阵面整个平面上接收到功率密度相对均匀，实现平坦波束；所述接收模块包括整流天线、负载和参数检测模块，整流天线为均匀分布的阵面，适配和接收发射系统的平坦波束，并将所述微波信号转换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于移动目标的微波输能系统，其特征在于，包括：发射模块、接收模块和控制模块；所述发射模块包括激励源、功率放大器和发射天线，激励源产生微波信号并发送至功率放大器，功率放大器将所述微波信号放大并通过天线发送至接收模块；所述发射模块的组阵方式为多频多区域设置，区域内发射天线同源相干，区域间不同频不相干，通过自聚焦控制算法在接收阵面上形成多个不同频率的聚焦点，实现平坦波束；所述接收模块包括整流天线、负载和参数检测模块，整流天线为均匀分布的阵面，适配和接收发射系统的平坦波束，并将所述微波信号转换至直流信号，将所述直流信号传输至负载；所述参数检测模块与整流天线连接，用于检测整流天线的工作状态和负载功率的参数并发送至控制模块，控制模块根据接收到的参数进行发射模块的开关和功率调整；所述发射模块和接收模块进行无线连接，控制模块分别和发射模块和接收模块进行信号连接。

【技术特征摘要】
1.一种适用于移动目标的微波输能系统，其特征在于，包括：发射模块、接收模块和控制模块；所述发射模块包括激励源、功率放大器和发射天线，激励源产生微波信号并发送至功率放大器，功率放大器将所述微波信号放大并通过天线发送至接收模块；所述发射模块的组阵方式为多频多区域设置，区域内发射天线同源相干，区域间不同频不相干，通过自聚焦控制算法在接收阵面上形成多个不同频率的聚焦点，实现平坦波束；所述接收模块包括整流天线、负载和参数检测模块，整流天线为均匀分布的阵面，适配和接收发射系统的平坦波束，并将所述微波信号转换至直流信号，将所述直流信号传输至负载；所述参数检测模块与整流天线连接，用于检测整流天线的工作状态和负载功率的参数并发送至控制模块，控制模块根据接收到的参数进行发射模块的开关和功率调整；所述发射模块和接收模块进行无线连接，控制模块分别和发射模块和接收模块进行信号连接。2.根据权利要求1所述的适用于移动目标的微波输能系统，其特征在于，所述发射天线和整流天线均为由若干个天线组成的天线阵。3.根据权利要求1所述的适用于移动目标的微波输能系统，其特征在于，所述参数检测模块包括通信模块、处理器和微波传感器。4.根据权利要求1所述的适用于移动目标的微波输能系统，其特征在于，所述控制模块包括通信模块和处理器。5.根据权利要求2所述的适用于移动目标的微波输能系统，其特征在于，所述发射天线为由1根中心发射天线和6根边缘发射天线组成的六边形天线阵。6.一种适用于移动目标的微波...

【专利技术属性】
技术研发人员：程晓洁，吴侹，彭革新，卢毅，佘广益，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第七研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44