[发明专利]一种基于射频接收和相位补偿转发的无线充电方法及装置

说明书

本发明提供了一种基于射频收发测试和相位补偿转发的聚焦式无线充电方法。该方法利用互易原理，使外部充电设备发射的各充电信号到达内嵌可充电电池时同相叠加，以实现在未知的复杂非均匀传播环境中任意给定区域的无线近场聚焦，提高无线充电的传输效率。本发明所提供的基于射频收发测试和相位补偿转发的聚焦式无线充电技术对于处于不同传播条件、不同环境媒质，以及待充电装置可能发生的随机位移，均可自动实现外部系统辐射的各无线充电信号在内嵌待充电电池处的同相叠加和精确聚焦，以实现能量的高效传输。本方法具有环境自适应能力强，能量传输效率高，传输稳定，对人体辐射较小，无须待充电设备位置的精确信息等特点。

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，特别是复杂的多径传播环境中基于互易关系的聚焦式无线充电技术。

背景技术

现实生活中有多种类型的电子设备(如各类传感器或无线网络节点)由于预先植入人体(包括固定式的如心脏起搏器和动态的如胶囊式内窥镜)，或架设在无供电条件或无法企及的复杂环境中，甚至被周围植被环境所掩盖而无法确定其准确的安装位置，或因安装的隐秘性要求不能人工更换电池等，均需定期或连续进行无线充电。而在无线充电技术中，要保证待充电电池能够有效接收电磁能量，无线充电设备所发射的无线电波在待充电电池所在区域必须有足够的强度。但若无线充电设备发射非聚焦的无线电波，则会有很大部分的电磁波能量并没有被待充电电池所接收，成为无效辐射，不仅导致能量浪费，还对人体和周围环境造成电磁污染。因此，无线充电技术所追求的目标是充电设备发射的无线电波在待充电设备附近的区域实现良好的电磁功率聚焦。

但是作为无线充电设备的电磁发射装置，定点聚焦式多天线系统在设计时存在以下严峻的挑战：

1.复杂甚至未知和时变的非均匀传播环境中定点电磁聚焦的困难。通常，充电设备与待充电电池之间有极为复杂甚至未知和时变的非均匀传播环境，导致充电设备所发射的电磁波功率分布极不合理，其大部分成为无效功率且导致电磁污染。若要预先掌握实际的非均匀传播环境再有针对性地开展电磁聚焦设计则极不现实，这是因为传播介质的随机性(如人的高矮胖瘦)和时变特性(如)以及的复杂多径传播效应难以预测更难以精确把握。例如，传播环境中茂盛的植被，其非均匀性具有随机和时变的特征。又如，对植入体内的电子设备(如心脏起搏器和胶囊式内窥镜)进行无线充电，则因人体内部的复杂非均匀性，人的高矮胖瘦、呼吸习惯及呼吸时的胸部起伏、胶囊内窥镜在消化道中的移动，导致电磁传播环境呈现显著的复杂非均匀性和随机、时变特性。

2.待充电电池难于发现和难以精准定位，导致实时确定聚焦区域的困难。在很多无线充电应用中，待充电电池的位置是难于发现和精准定位，甚至是无规律变化的，因此也就无法确定电磁聚焦区域。例如，隐秘安装、植入式安装、伪装式安装、井下、水下、地下安装、被植被遮挡，不断移动中的装置，等等。

反观现有的无线充电技术，包括近场耦合充电技术和电磁传播充电技术，要么根本未考虑电磁聚焦，要么基于预设的简化传播模型尝试聚焦，均不具备现实性和实用性；更不可能在尚不掌握待充电电池准确位置和当前的非均匀传播条件时实现准确的电磁聚焦。

作为现有技术的典型代表，Ada S.Y.Poon发表在《IEEE-电路与系统》杂志的“用于生物电子学中的中场无线能量传输”(Midfield Wireless Power Transfer forBioelectronics)中，公开了一种新型无线传能系统。该设计虽然可以通过调整单元馈电的相位来改变能量传输方向，但并不能准确指向体内植入电子器件所在位置，导致能量传输效率的下降，而高强度的未被接收天线获取的电磁功率污染另外，大部分会被身体组织吸收，使局部组织温度升高，甚至可能危及人体安全与健康。

因此，该系统在对体内植入器件无线传能的应用技术还有待改进。

发明内容