一种低成本的自适应无线信息与能量复用传输系统技术方案

本发明专利技术公开一种低成本的自适应无线信息与能量复用传输系统，该系统分为两大部分：发射子系统与接收子系统，所述发射子系统发射同时具备能量和信号的复合信号，通过自由空间传输至接收子系统；所述接收子系统把复合信号分离到通信链路和能量链路分别加以利用，实现信息与能量复用的功能；其中能量链路的能量能够供给后级负载使用，也能够供给接收子系统的通信链路使用；同时，接收子系统通过能量管理、监测与反馈，把接收子系统的实时工作性能反馈给发射子系统，发射子系统根据反馈信号调整发射性能，从而实现自校正功能，维持整个系统性能的最优。

【技术实现步骤摘要】
一种低成本的自适应无线信息与能量复用传输系统
本专利技术涉及无线能量传输与收集
，更具体地，涉及一种基于微波射频频段的具备自动校正功能的低成本的自适应无线信息与能量复用传输系统。
技术介绍
无线能量传输与收集技术是(WirelessPowerTransmissionandharvesting,WPT)能量通过激光、超声波、微波、磁共振等方式从发射端通过自由空间传输到接收端的技术。相比有线能量传输，无线能量传输在空间灵活性、架设方便性等方面有巨大的优势。在一些特殊的应用场景，例如跨岛传输、物联网节点供电、人体内微电子设备充供电、运动检测传感器充电等，无线能量传输有无可替代的优势。在多种无线能量传输技术中，基于微波辐射的能量传输因传输距离灵活性最大(几十厘米到几千米)，架设灵活性最高(一对一、一对多、多对多、多对一)，位置灵活性也最高(在微波传输范围内)而被研究者广泛关注。微波能量传输最早的实验源于NikolaTesla的无线功率传输实验，把几十万瓦能量从一个海岛传输到另一个海岛，证明了微波能量传输的可行性。近年来，微波能量传输在空间输电，太阳能能量传输等大功率应用场景有较大的发展。在低功率应用场景，微波能量传输作为一种改善物联网传感器节点能量获取情况的革命性技术，正在逐渐被全球科研界关注。由于微波能量接收系统的核心器件性能限制，正常的密度因能级太低无法被有效获取，因此需要确定的可供电能量源。这个能量源通常需要专门的设计，增加了设计和制作成本，独立传输的能量信号也会对现有的通信系统造成干扰，导致通信系统无法运行。如果能将信息与能量复合传输，将最大程度地利用现有通信系统的模块，大大减小成本，同时符合信号兼容了通信信号，不会对现代通信传输造成干扰，从而使商用微波能量传输成为可能。另一方面，目前现有的能量信号发射源通常体积较大且位置与信号传输方向固定，在移动终端充电的应用场合，由于接收系统在空间位置的移动，通常导致能量无法被有效接收从而降低效率，造成能量浪费，发射和接收系统也没有有效的保护措施，在位置过近时会因接收能量过大而导致系统损坏。因此，在实际应用过程中设计具有自适应追踪功能的系统非常必要。另外在接收系统中，由于遮挡物的出现、发射能量的变化、位置而方向的改变等，会使接收功率变小，而传统的接收系统因为核心器件--整流二极管的工作特性，其输入功率对性能影响较大，导致效率下降；当功率过大时，会导致系统烧坏。因此，有必要研发一种新型微波能量传输与收集系统，克服上述技术难点。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种低成本，易安装的自适应无线信息与能量复用传输系统，该系统能在最大程度与现有通信系统兼容的前提下，实现智能化、高效率的通信与传能复用的微波射频传输系统来实现低成本、易安装、高兼容性、高效率、智能化的无线能量传输与收集。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种低成本的自适应无线信息与能量复用传输系统，该系统分为两大部分：发射子系统与接收子系统，所述发射子系统发射同时具备能量和信号的复合信号，通过自由空间传输至接收子系统；所述接收子系统把复合信号分离到通信链路和能量链路分别加以利用，实现信息与能量复用的功能；其中能量链路的能量能够供给后级负载使用，也能够供给接收子系统的通信链路使用；同时，接收子系统通过能量管理、监测与反馈，把接收子系统的实时工作性能反馈给发射子系统，发射子系统根据反馈信号调整发射系能，从而实现自校正功能，维持整个系统性能的最优化。其中所述发射子系统包括：基站/移动终端、数据信号处理器、可变增益放大器、模拟滤波器、大信号载波生成器、调制器、射频滤波器、可变增益射频功率放大器、射频功率分配器阵列、射频移相器阵列、发射天线阵、射频控制模块、低速链路接收器和反馈接收天线；其中，基站/移动终端提供原始的通信基带传输信号，依次经过数据信号处理器，可变增益放大器和模拟滤波器进行处理，处理后的信号具备能够被调制的特性，再通过调制器把大信号载波生成器生成射频载波与模拟滤波器输出的基带调制信号进行调制，继而输出基础的射频通信信号；为了具备与现代通信系统与信号兼容的特性，基站信号接收器、数字信号处理器、可变增益放大器、模拟滤波器、调制器均采用已经成熟应用的通信技术，并可采用SOC或PCB形式进行电气连接，其具体的功能在此不再赘述。其中，大信号载波发生器包括射频振荡器和前置放大器，为基带信号提供比现有通信系统更大能级的载波能量信号并参与调制，而调制器的调制模式不对接收系统的接收特性与性能造成限制，可根据不同的应用场景采用不同的调制方式。基础的射频通信信号依次输入到射频滤波器和可变增益射频功率放大器进行进一步处理，把基础的射频通信信号转变为能量复合信号；射频滤波器用于滤除在调制过程中产生的高次谐波，提高通信系统的信噪比，可变增益射频功率放大器对调制并滤波后的调制信号进行可调增益的射频功率放大，使其具备能量复用信号的能级；射频放大能量主要由低纹波电源提供。同时，电源具备低纹波特性，从而减小对信号带来的干扰。从可变增益射频功率放大器输出的能量复合信号依次通过射频功率分配器阵列、射频移相器阵列和发射天线阵，高效并且集中地往自由空间的某个确定的方向传输；射频功率分配器阵列提供等分的功率分配，使其进入射频移相器阵列的不同通道，不同通道的能量分别由发射天线阵辐射出去，从而形成高主瓣，低副瓣的能量波束，在空间内有效传输；发射子系统在进行能量复合信号发射的同时，也通过另外一条通信链路接收接收子系统传来的性能反馈信号，并根据反馈信号自适应地调整发射性能，从而实现自校正功能；反馈接收天线接收到接收子系统传来的信号，传导到低速链路接收器处理，然后传输到射频控制模块；射频控制模块根据反馈数据产生第一控制逻辑调节射频移相器阵列的相位，从而调节波束的主瓣方向；同时根据接收电压信号调节可变增益射频功率放大器，从而调整发射功率大小。所述接收子系统包括：接收天线阵、能量分离器、谐波抑制滤波器、通信接收机、射频整流器、直通滤波器、能量管理器、能量管理反馈控制器、低速链路发射器、反馈发射天线和负载；接收天线阵接收传输或者空间的复合能量信号和较强的通信信号，并通过能量分离器从复合能量信号中分离出通信信号和能量信号，通信信号进入通信链路，由通信接收机进行处理，能量信号进入能量链路，依次由谐波抑制滤波器、射频整流器和直通滤波器处理，将其从射频能量转化为直流能量，并由能量管理器进行高效管理；管理后的直流能量能够储存起来，或者供给通信接收机、能量管理反馈控制器、低速链路发射器和负载使用；在通信链路中，通信接收机处理通信的信号，包括检波，小功率前置放大，解调等模块。同发射机的一样，这些模块均采用已经成熟应用的通信技术，并可采用SOC或PCB形式进行电气连接，其具体的特性在此不再赘述；能量分离器分离出通信信号和能量信号，大部分能量进入能量链路，依次由谐波抑制滤波器、射频整流器进行射频-直流转换，谐波抑制滤波器的作用是抑制整流器工作时因为核心器件—二极管的非线性特性产生的高次谐波，使谐波能量反弹到整流器做二次整流，直流能量通过直通滤波器，输入到能量管理器，直通滤波器阻止任何工作频率以外的谐波能量进入后级，同时配合谐波抑制滤波器把整流器产生的高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低成本的自适应无线信息与能量复用传输系统，该系统分为两大部分：发射子系统与接收子系统，其特征在于，所述发射子系统发射同时具备能量和信号的复合信号，通过自由空间传输至接收子系统；所述接收子系统把复合信号分离到通信链路和能量链路分别加以利用，实现信息与能量复用的功能；其中能量链路的能量能够供给后级负载使用，也能够供给接收子系统的通信链路使用；同时，接收子系统通过能量管理、监测与反馈，把接收子系统的实时工作性能反馈给发射子系统，发射子系统根据反馈信号调整发射性能，从而实现自校正功能，维持整个系统性能的最优化。

【技术特征摘要】
1.一种低成本的自适应无线信息与能量复用传输系统，该系统分为两大部分：发射子系统与接收子系统，其特征在于，所述发射子系统发射同时具备能量和信号的复合信号，通过自由空间传输至接收子系统；所述接收子系统把复合信号分离到通信链路和能量链路分别加以利用，实现信息与能量复用的功能；其中能量链路的能量能够供给后级负载使用，也能够供给接收子系统的通信链路使用；同时，接收子系统通过能量管理、监测与反馈，把接收子系统的实时工作性能反馈给发射子系统，发射子系统根据反馈信号调整发射性能，从而实现自校正功能，维持整个系统性能的最优化。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射子系统包括：基站/移动终端（1）、数据信号处理器（2）、可变增益放大器（3）、模拟滤波器（4）、大信号载波生成器（5）、调制器（6）、射频滤波器（7）、可变增益射频功率放大器（8）、射频功率分配器阵列（9）、射频移相器阵列（10）、发射天线阵（11）、射频控制模块（12）、低速链路接收器（24）和反馈接收天线（27）；其中，基站/移动终端（1）提供原始的通信基带传输信号，依次经过数据信号处理器（2），可变增益放大器（3）和模拟滤波器（4）进行处理，处理后的信号具备能够被调制的特性，再通过调制器（6）把大信号载波生成器（5）生成射频载波与模拟滤波器（4）输出的基带调制信号进行调制，继而输出基础的射频通信信号；基础的射频通信信号依次输入到射频滤波器（7）和可变增益射频功率放大器（8）进行进一步处理，把基础的射频通信信号转变为能量复合信号；射频滤波器（7）用于滤除在调制过程中产生的高次谐波，提高通信系统的信噪比，可变增益射频功率放大器（8）对调制并滤波后的调制信号进行可调增益的射频功率放大，使其具备能量复用信号的能级；从可变增益射频功率放大器（8）输出的能量复合信号依次通过射频功率分配器阵列（9）、射频移相器阵列（10）和发射天线阵（11），高效并且集中地往自由空间的某个确定的方向传输；射频功率分配器阵列（9）提供等分的功率分配，使其进入射频移相器阵列（10）的不同通道，不同通道的能量分别由发射天线阵（11）辐射出去，从而形成高主瓣，低副瓣的能量波束，在空间内有效传输；发射子系统在进行能量复合信号发射的同时，也通过另外一条通信链路接收接收子系统传来的性能反馈信号，并根据反馈信号自适应地调整发射性能，从而实现自校正功能；反馈接收天线（27）接收到接收子系统传来的信号，传导到低速链路接收器（24）处理，然后传输到射频控制模块（12）；射频控制模块（12）根据反馈数据产生第一控制逻辑（25）调节射频移相器阵列（10）的相位，从而调节...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭洪舟，区俊辉，安德烈·安德烈尼克，
申请(专利权)人：广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院，中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44