[发明专利]一种室内无线输能系统以及无线输能方法

说明书

本发明公开了一种室内无线输能系统以及无线输能方法；该输能系统包括功率接收端和功率发射端；功率发射端由功率发射阵、信号分析电路、信号处理模块、可变功率放大器和功率监测模块组成；接收模式的功率发射阵与信息分析电路、信号处理模块、可变功率放大器和功率监测模块依次连接；发射模式的功率发射阵与可变功率放大器连接；功率接收端由多个待充电设备组成；每一个待充电设备均由能量接收天线和整流电路组成。本发明解决了传统方法中利用电磁波传播进行无线输能只适用于规则排布单元结构相同的天线组成功率发射阵、单频操作、多目标波束优化时间长、对无需充电设备产生严重干扰、难以保障输能空间中人类、动植物和无需充电的设备的安全问题。

技术领域

本发明涉及无线输能，特别是涉及利用电磁波传播进行无线输能的系统，具体涉及一种利用时间反演技术、整流电路、天线及天线阵的室内无线输能系统以及无线输能方法。

背景技术

由于无线通信的出现，生活变得越来越便利和高效。人们也逐渐意识到不使用电缆来对大量的静止/移动的便携式设备供电才会使这些电子设备变得真正的“便携”。无线输能(WPT)就是这种不需要电缆的供电方式。与无线通信不同，WPT传输的是能量而不是数据。待充电的电子设备，比如手机、平板电脑等，可以通过整流电路或整流天线将来自功率发射阵的电磁能量转化为直流能量以便直接使用或储存到自身的可充电电池中。

WPT的应用具有非常重要的意义。比如，人类及动物就不需要忍受由于对植入体内的心脏起搏器进行输能所带来的不必要的痛苦，电子设备变得轻巧及价格低廉，对于危险环境的供能不再成为问题等。总之，从WPT的应用前景可以发现，WPT必将成为未来的主要供电方式。

目前，WPT一般采用电磁感应、电磁共振和电磁波传播。其中，利用电磁感应进行WPT的传输距离近，一般为几毫米到几厘米，并且随着初次级线圈的距离增加，传输效率急剧下降；利用电磁感应进行WPT会在整个辐射区产生高强度的电磁能量，对输能空间中的人类、动植物或其他电子设备产生威胁；利用电磁波传播进行WPT的传输距离远，影响该种方法的功率传输效率的主要因素有两个，一个是由整流电路或整流天线引起的射频到直流的转换效率，改善整流效率的技术在许多专利和文献中都有研究，这些研究为WPT提供了理论基础；另一个是电磁波的传输效率，电磁能量会随着传输距离的增加而减小，而电磁波在空间中传播的衰减是无法避免的，但可以通过控制电磁波能量波束向待充电设备处聚焦来改善电磁波的传输效率，使待充电设备获得更多的电磁能量。因此，研究电磁波的聚焦技术及新型的整流技术成为了WPT要攻克的技术难题。

目前，国内在利用电磁波传播进行WPT方面还相对薄弱。在国外已经发表了一些关于在特定环境中利用电磁波传播进行WPT的研究，比如在室内、办公室、停车场及仓库等环境下的WPT。这些应用一般都是采用逆反射技术和相控阵波束成形技术来实现电磁波波束向待充电设备处聚焦。但这两种技术在实现和操作方面都有很多不足。其中，逆反射技术是在单频上实现连续波，采用该项技术的不足可以分为以下几点：1)波束聚焦位置会发生偏移，2)对其他未发送充电请求信号的设备产生干扰，3)会产生大量的能量浪费，4)单频操作的设备比较昂贵和繁重。

虽然，相控阵波束成形技术可以实现宽频的波束聚焦，但该技术实质上是在单频上对波束建立多目标优化函数，这就增加了整个系统在整个频带的计算复杂度和成本，而且当功率发射阵与待充电设备之间存在障碍物以及待充电设备处于移动状态时，相控阵波束成形法不能有效地进行WPT，此种情况产生的高频电磁波会对输能空间中的人类、动植物及其他无需充电的设备造成伤害。除此之外，相控阵作为功率发射阵的成本高、重量重、尺寸大、对天线单元结构及排布要求高。因此，改善上述WPT技术的不足成为了亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决在室内环境中无法同时为多个静止/移动的电子电气设备无线输能、对无需充电的设备产生干扰以及对输能空间中的人类、动植物和无需充电的设备产生安全威胁的问题，提出的一种传输效率高、干扰小以及安全性高的无线输能系统以及无线输能方法。