基于分布式回复反射波束聚焦的无线能量传输

何金梅，王 薪

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，江苏 南京 210016)

传统的供电方式是有缆供电，便携式设备一般还设有电池。虽电缆供电是当今高效、快捷的供能方式，但面对数量众多、性能不断增强的电子产品而言，电缆供电则显得繁琐。采用电池供电的方式虽然能提供诸多方便，但随着电子设备的精简设计，电池的体积和容量受限［1－2］，导致电子产品的使用需要频繁地更换电池，使得供电总体性能急剧下降。如何能快速、便捷地为电子设备供能成为当前研究的热点问题。而无线能量传输具有持续供能、无缆操作、无需反复拆卸设备等优点，能满足种类和数目日益增长的便携式电子产品的供能需求。

无线能量传输技术主要包括超声波、近场电感耦合、电磁共振耦合、激光和射频远场传输等方式。超声波穿透能力强，但易受自然环境影响。近场电感耦合传输的功率较大，但只适用于毫米量级的近距离能量传输。电磁共振耦合则利用电磁共振物体间的强耦合作用来实现能量传递，其对应的能量传输距离也受限，能量传输距离增大能量衰减也随之增大，并且需要确定能量收发端的具体位置［3－4］。

针对上述问题本文采用基于分布式回复反射(Retro－reflective)技术的波束形成方法实现微波无线能量传输。基于回复反射的天线阵列和波束聚焦技术已被提出并研究多年［3－4］，然而这项技术主要针对通信领域。而本文研究的系统是用于微波无线能量传输，该系统采用分布式结构，具有位置可调节性、空间灵活性等特点，能快速、高效的对待充电设备进行波束聚焦供能。其工作过程可概括为当待充电设备发射一个导航信号(供能请求)后，空间分布式能量供应端就能实现对待充电设备的定位及波束聚焦供能。实现波束聚焦的过程则可描述为3 个基本步骤:(1)目标设备向天线阵列发送一个连续波信号作为所谓的“导航信号”。(2)天线阵列中各单元对接收到的导航信号作相位和幅度分析。(3)天线阵列中所有天线单元发射与接收到的导航信号形成复数共轭的电磁波，从而形成聚焦于目标设备的波束。

1 工作原理

文献［5］中提出了基于回复式反射完成无线能量传输的方案。在此基础上，发射天线阵列在空间里呈分布式摆放，能实现近场区域内特定位置的空间波束聚焦。而本文的研究目标不仅将射频能量和导航信号形成回复式反射对，并将能量聚焦在近场区域的特定位置处。通过调节能量发射端阵列天线的相位来调节电磁波波束的辐射方向。基于这种设计，能量接收端由天线、导航信号接收器和整流电路组成。微波无线能量发射端由天线阵列、射频信号发生器、导航信号分析模块组成，系统结构框图如图1 所示。

图1 回复反射无线供能系统框图

如图1 所示无线供能系统结构中，无线能量发射端由两个四阵元的天线阵、射频信号发生器、导航信号分析模块和PC 机组成，其中可借助PC 机的判断用单刀双掷开关来控制无线能量发射端是分析导航信号还是给待充电设备发射能量。能量接收端由天线、射频－直流能量转换器和导航信号发生器组成。

分布式回复反射微波无线能量传输的工作过程为可具体分为如下几个步骤:(1)由待充电设备上的导航信号发生器发射一个导航信号，该导航信号可为连续波或者脉冲信号。(2)无线能量发射端的导航信号分析装置接收到导航信号后分析出特定位置发射的导航信号的相位和幅度信息。(3)通过PC 机的连接将导航信号的幅度和相位信息反映在射频信号发射端的控制信息上，再由空间分布式天线向发射导航信号的待充电设备聚焦供能。最后通过待充电设备上的整流电路将收集的能量转换成能直接供负载使用的直流电能。

实际应用中，本文提出的无线供能技术方案适合给室内场所的移动电子设备供电。典型应用之一是仓库环境中对有源射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)标签的中远程无线充电。在该应用中，能量发射天线阵列可分布安装于墙壁和天花板上，阵列天线之间可通过线缆相互连接。RFID 标签需供电时向四周发射导航信号，收到导航信号后，多个分布式天线阵列协同发射聚焦的波束将能量传送至该RFID 标签。采用该技术可使有源RFID 标签的应用不再受电池寿命的限制，有效降低了有源RFID 的使用成本。

2 系统仿真设计与结果分析

与文献［6］和［7］不同，本文的设计中能量发射端的天线阵列在空间呈分布式摆放。结合以上分布式波束形成器无线能量传输系统的工作原理可对系统进行设计和仿真。回复式反射无线供能实验结构框图如图2所示。

图2 回复式反射无线供能实验结构框图

如图2 所示，将阵列天线分布式摆放在两个相互垂直的位置处，待充电装置在第一象限内的虚线框内移动。假设无线能量传输系统的工作频点为2.1 GHz，能量发射端的天线采用沿z 方向极化的矩形微带贴片天线，能量接收装置上的天线采用全向辐射的单极子天线。借助HFSS 仿真软件对系统进行仿真建模，当接收天线在第一象限内的虚线框的中心位置(600 mm，600 mm，0 mm)时，仿真结果如图3 所示。

如图3 所示，能量发射端的天线阵列分别位于x 轴和y 轴上，每个阵列中心距离坐标原点的距离均为600 mm，根据能量发射天线的分布式摆放位置，先将发射导航信号和接收能量的天线放置在(600 mm，600 mm，0 mm)位置处，即两个天线阵列近场的中点位置处。为了便于观察仿真结果，在接收天线所在区域截取一片区域观察对应的电场分布情况，截取的区域如图2 虚线框区域。仿真后得到如图4 所示的实验结果。为了验证能量接收天线在图2 虚线框内移动位置的任意性，将能量接收天线分别放置在距离中心位置(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 个位置处，对应的仿真结果如图4 所示。

图3 能量接收天线放置在(600 mm，600 mm，0 mm)位置处波束聚焦仿真结果

图4 能量接收天线放置在不同位置处波束聚焦仿真结果

该仿真实现的过程为:近场区域内的天线发射一个导航信号，分布式天线接收到导航信号后根据该位置导航信号的相位信息锁定发射导航信号的位置，再形成窄波束聚焦辐射在发射导航信号的天线位置处，形成能量聚焦点。

从图4 仿真结果中可以看出，接收天线放置在(600 mm，600 mm，0 mm)处进行仿真，当接收天线被移走时观察这片区域的电场分布，在(600 mm，600 mm，0 mm)处形成了明显的焦点。移动接收天线的位置，将其放置距离中心位置一定距离的位置时，天线阵列均能在特定放置接收天线的位置处形成明显的波束聚焦点［8－9］。仿真结果说明，分布式天线阵能在近场区域内任意位置发射导航信号的天线进行定位和波束聚焦供能。

本文方案中，天线阵列的近场区域内的特定位置处形成波束叠加，而远场则相互抵消，这不仅增大了能量传输效率，还能有效避免能量传输过程中对其它电子设备造成干扰。

3 结束语

本文研究了一种基于分布式天线阵列波束聚焦的微波无线能量传输系统。该系统由两个4×1 的微带天线阵组成，天线阵列分散布置在较大范围的空间各处，且对其位置没有固定的要求，从而具有较高的灵活性和可靠性。仿真结果表明，本设计中的能量传输天线阵列能在一定范围内实现对移动设备的跟踪和近场聚焦集能。

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