深圳宇能無線技術有限公司推出的電磁點聚焦無線輸能產品，通過核心的技術發(fā)明設計，具有眾多優(yōu)點,能滿足很多市場需求。

隨著物聯網應用的快速發(fā)展，無線傳感器網絡與移動設備的能耗問題十分嚴重，市場上對應無線輸能的要求是不斷增加的。無線輸能是通過無線方式傳輸電能，現有的無線輸能技術主要有電磁感應式輸能，電磁諧振式輸能和電磁波輸能等。電磁感應式與電磁諧振式兩種輸能技術均通過收發(fā)線圈交換無線能量，傳輸距離一般小于線圈直徑，僅適用于短距離的點對點充電的特殊場合，即市場上常見的充電墊。電磁波輸能可分為廣播式輸能和定向式輸能：廣播式輸能利用全向天線向周圍環(huán)境輻射電磁能量，空間電磁波的彌散與衰減巨大，效率極低；定向式輸能利用高定向性的天線將電磁能量收集在一個方向，效率得到極大提升，但收發(fā)天線需要嚴格對準且口徑面大，難以應用于需要受能設備小型化的移動充電等場景，且定向輸能波束會損害路徑上的人體健康。而且在物聯網應用中，可能存在多個功率不等的設備需要充電，如何將無線能量按照所需的比例配送給多個指定的受能目標,設備移動的位置自適應即跟蹤目標發(fā)送能量，多點目標并行和選擇性接受能量，能量效率等，都是目前所面臨的問題。

為此公司引入時間反演（Time Reversal, TR）技術,通過公司的核心發(fā)明專利進行全新的無線輸能設計能解決上述問題，且能防止無線能量被其余未指定（或非授權）目標所竊取，可有效解決室內、半開放、封閉艙體等環(huán)境下的多目標選擇性無線輸能問題，還有人體電磁輻射安全和電磁干擾問題。

時間反演是一種新型的自適應空間電磁波傳輸和調控技術，利用時間反演陣列進行輸能設計時，僅采用全向的小尺寸陣元，即可將電磁波自適應地在位置未知的受能空間處聚焦于一點，在受能設備小型化、無線輸能效率提高、移動充電等方面具有非常大的優(yōu)勢。（具體的技術可參考公司前面一篇文章:電磁時間反演點聚焦技術和應用）

一、簡要說明:

系統中存在N個TR 天線（編號TR1~ TRN）以及M 個能量收集天線（編號EC1~ ECM），這N 個TR 天線作為陣元構成一個時間反演鏡（Time Reversal Mirror, TRM）。在M 個能量收集天線中選出m個待充電目標（），其余M -m?個能量收集天線（）則非授權目標，i1?~ i?M?可從1~M?中取值，且互不相同；

由m 個待充電目標依次單獨發(fā)射窄帶或單頻的充電請求信號，同時由TRM采集各陣元接收信號，一共可以得到分別對應于各待充電目標的m組TRM 采集信號；

對這些TRM 采集信號進行時間反演處理（單頻時簡化為相位共軛實現），得到分別對應于各待充電目標的m組TRM 回傳信號；

將這m組TRM 回傳信號按照一定的疊加系數進行線性疊加，即可得到最終的合成TRM 激勵信號；

向TRM 的各個陣元饋入這一信號，即可產生所需的TR 多點聚焦場，該聚焦場僅在m個待充電目標處聚焦，而不在其余非授權充電目標位置處產生聚焦。

一般情況下，在產生TR 多點聚焦場的線性疊加過程中，各疊加系數可根據實際情況直接快速計算得到，但當聚焦于某一待充電目標的TR 單點聚焦場在其余待充電目標處的副瓣大于預設值SLL（例如-10dB，可根據實際需求調）整時，副瓣場對輸能效果的影響不可忽略，此時需要對各疊加系數進行最優(yōu)化設計。

該多目標選擇性無線輸能方法具體實現步驟如下：

步驟一：依次單獨使用中心頻率為f0的窄帶或單頻信號激勵待充電目標，發(fā)射充電請求信號，同時記錄TRM 的采集信號（共有對應于的m?組）；

步驟二：根據已知的充電請求信號，以及已記錄的m組TRM 采集信號，計算出與TR1?~ TRN?之間的信道傳輸函數；

步驟三：對m組TRM 采集信號作時間反演處理（單頻時簡化為相位共軛實現），產生對應于的m?組TRM 回傳信號；

步驟四：根據m組TRM 回傳信號以及與TR1?~ TRN?之間的信道傳輸函數，計算出當向TRM 饋入對應于ECk?(k=i1?~ im?)的一組TRM回傳信號時，待充電節(jié)點ECk的接收信號幅度為；

步驟五：假設待充電目標期望的無線充電信號幅度為，需要對m?組TRM 回傳信號進行線性疊加得到合成TRM 激勵信號，各疊加系數分別為，wk?(k=i1?~ im?)是一個復數，可分解為αk?exp (i·Φ?k)，其中αk?為幅度疊加系數，Φ?k為相位疊加系數；

①TR 單點聚焦場在其余待充電目標處的副瓣小于預設值時，副瓣場對輸能效果的影響可忽略不計，此時可直接利用預期幅度值，簡單快速計算出為

；

②TR 單點聚焦場在其余待充電目標處的副瓣大于預設值時，副瓣場對輸能效果的影響不可忽略，此時需對幅度疊加系數和相位疊加系數進行優(yōu)化設計，使得輸能效果滿足下列兩個指標：1、待充電目標的無線接收信號幅度等于；2、TRM 到的空間能效達到最優(yōu)（空間能效越高，其余非授權目標竊取的無線能量越少）。將上述兩個指標作為優(yōu)化目標，利用優(yōu)化算法，如單純形或遺傳進化算法，優(yōu)化得到最佳疊加系數為；

疊加系數的優(yōu)化除了能提高輸能效率外，還可用于壓制待充電目標以外區(qū)域的能流大小，以減小無線輸能系統對人體的電磁輻射危害和對非充電電子設備的電磁干擾。

步驟六：通過計算或優(yōu)化出的疊加系數得出最終的合成TRM 激勵信號，再將其饋入TRM ，即可保證待充電目標精準地接收到幅度為的無線接收信號，并盡可能地防止無線能量被其余非授權目標所竊取。

當環(huán)境改變或能量接收天線的位置發(fā)生變化時，跳轉步驟一，再次發(fā)射充電請求信號，重新采集信道信息，即可使電磁能量仍在各待充電目標處聚焦，繼續(xù)維持多目標選擇性輸能的效果。

根據本申請的另一方面，還提供一種基于聚焦波的多目標選擇性無線輸能裝置，其包括能量收集裝置和TR 能量發(fā)射裝置：

能量收集裝置包括M 個能量收集天線EC1~ ECM，用于發(fā)射充電請求信號以及接收無線電磁能量；

TR 能量發(fā)射裝置包括N 個TR 天線TR1~ TRN，用于接收充電請求信號以及發(fā)射TR 輸能信號，N 個TR 天線TR1~ TRN構成時間反演鏡TRM；

在M 個能量收集天線中，令為m?個待充電目標，其余的M -m?個能量收集天線為非授權目標，其中，i1?~ im?取值范圍為1~M?；能量收集裝置和TR 能量發(fā)射裝置執(zhí)行如下交互過程：

由m個待充電目標依次單獨發(fā)射窄帶或單頻的充電請求信號；

采集時間反演鏡TRM 各陣元的接收信號，得到m組TRM 采集信號；

對m組TRM 采集信號進行時間反演操作，得到m組TRM 回傳信號；

將這m組TRM 回傳信號按照預先設定的疊加系數進行線性疊加，得到最終的合成TRM 激勵信號；

向時間反演鏡TRM 的各個陣元饋入TRM 激勵信號，即產生所需的TR 多點聚焦場，該聚焦場僅在m個待充電目標處聚焦，而不在其余非授權充電目標位置處產生聚焦。

上述TR 能量發(fā)射裝置中，各TR 天線的輻射方向性不受限制，可以是全向、定向以及非定向輻射；而能量收集裝置的受能天線則為全向天線，用以接收來自各個不同入射角度方向的電磁波能量。在TR 能量發(fā)射裝置中，TR 天線陣元排布可以是任意的，例如方形陣列、長方形陣列、圓形陣列、橢圓陣列等各種線性陣列排布，也可以是球面陣列、橢圓面陣列、正方體表面陣列、長方體表面陣列、多面體表面陣列等各種面陣排布。

本系統采用上述方案，其具有如下有益效果：

（1）本系統采用窄帶或單頻的充電請求信號和TR 輸能信號，使TR 能量傳輸變得持續(xù)、穩(wěn)定且易實現，此外，合成TRM 激勵信號的獲取直接采用復相量的線性疊加運算進行，避免了采用復雜、耗時的傅里葉變換；

（2）本系統形成的TR 多點聚焦場，可將無線能量按照所需的比例配送至多個待充電目標，還能防止無線能量被其余非授權目標所竊取，可有效解決室內、半開放、封閉艙體等環(huán)境下的多目標選擇性無線輸能問題，還有人體電磁輻射安全和電磁干擾問題；

（3）本系統通過不間斷地重新發(fā)射充電請求信號，采集信道信息，即可實現移動充電；

（4）本系統中當TR 單點聚焦場的副瓣對輸能效果的影響可忽略時，TR 多點聚焦場的激勵可經由簡單的計算快速得出，這在信道環(huán)境快速變化的移動充電應用中具有非常大的優(yōu)勢。

二、具體實施方式

下面將參照附圖來說明本系統的實施例。

本系統提供一種基于聚焦波的多目標選擇性無線輸能方法及裝置，其裝置的系統結構示意圖如圖1 所示。本實例的系統中包括9 個能量收集天線（從左到右從上到下編號EC1~ EC9）和16 個TR 天線（從左上頂點順時針編號TR1~ TR16）。全部天線均采用中心頻率2.45GHz、帶寬500MHz 的貼片單極子天線，且分別與一些其他器件構成了能量收集裝置和TR 能量發(fā)射裝置。16 個TR 天線以12cm 的間距等距地圍成一個邊長為48cm 的正方形，構成時間反演鏡（Time Reversal Mirror, TRM），9 個能量收集天線則位于TRM 圍成的平面區(qū)域內部（呈九宮格排布，格點間距半波長）。為增加無線效率，將收發(fā)天線的輻射貼片部分均置于一個60cm×60cm×15cm 的金屬混響腔中，同軸端口則露出在外（方便饋電）。為方便拆裝，金屬混響腔留有一定空隙。

圖 1

本實例中，選擇EC1, EC2, EC3, EC5, EC8這5個能量接收天線作為待充電目標，按照功率111 的比例輸送能量，剩余的4 個能量接收天線EC4, EC6, EC7, EC9則為非授權目標。當然，其待充電目標的數量可以是1個或者多個，不限于5個。

能量收集裝置的結構框圖如圖2 所示，具體包括：能量收集天線EC1~ EC9，用于發(fā)射充電請求信號以及接收來自TRM 的無線電磁能量；單頻信號源OSC1~ OSC9，用于產生單頻2.45GHz 的充電請求信號；負載LOAD1~ LOAD9， 各個能量收集裝置的負載，由直流驅動；整流裝置PRU1~ PRU9，用于將能量收集天線EC1~ EC9接收到的高頻電流轉換成直流，并提供給負載LOAD1~ LOAD9；

圖 2

開關S1~ S9，用于切換能量收集天線EC1~ EC9與單頻信號源OSC1~ OSC9或整流裝置PRU1~ PRU9之間的連接；控制中心OCC_R1~ OCC_R9，與TR 能量發(fā)射裝置的控制中心OCC_T 進行通信交互，控制開關S1~ S9的切換。

TR 能量發(fā)射裝置的結構框圖如圖3 所示，具體包括：TR 天線TR1~ TR16（構成TRM），用于接收來自待充電目標的充電請求信號以及發(fā)射TR 輸能信號；帶通濾波器BPF1~ BPF16，用于濾除頻率不為2.45GHz 的雜波；檢波器ED1~ ED16，用于檢測TR 天線接收到充電請求信號的幅度；鑒相器PD1~ PD16，用于檢測TR 天線接收到充電請求信號的相位；微波功率源MPC ，用于產生單頻2.45GHz 的輸能功率信號；16 路等功率分配器EPD，用于將微波功率源MPC 產生的功率信號等功率地分為16 路，每一路信號的幅度與相位均相同；功率放大器PA1~ PA16，用于放大2.45GHz 單頻信號；移相器PS1~ PS16，用于改變2.45GHz 單頻信號的相位；開關K1~ K16，用于切換帶通濾波器BPF1~ BPF16與檢波器ED1~ ED16、鑒相器PD1~ PD16或移相器PS1~ PS16的連接；控制中心OCC_T，與能量收集裝置的控制中心OCC_R1~ OCC_R9進行通信交互，處理來自檢波器ED1~ ED16和鑒相器PD1~ PD16的信息，進行計算與優(yōu)化操作，更改功率放大器PA1~ PA16的放大倍數A1~ A16以及移相器PS1~ PS16的相移P1~ P16。

圖 3

該裝置執(zhí)行無線輸能步驟如下：

步驟一：依次單獨激勵所有待充電目標，并記錄TRM 采集信號。

首先單獨激勵待充電目標EC1，并記錄此時的TRM 采集信號，具體操作分4 小步：

①OCC_R1控制S1使得EC1與OSC1相連，OCC_R2~ OCC_R9控制S2~S9使得EC2~ EC9與PRU2~ PRU9相連，使EC1發(fā)射充電請求信號X =Ax·exp(i·φx)（本發(fā)明中，所有信號均采用只包含幅度與相位信息的復相量形式表示）；

②發(fā)射充電請求信號后，OCC_T 控制K1~K16使得BPF1~BPF16與ED1~ED16相連，記錄TRM 采集信號的幅度信息；

③幅度信息采集完畢后，OCC_T 控制K1~K16使得BPF1~BPF16與PD1~PD16相連，記錄TRM 采集信號的相位信息；

④幅相信息均采集完畢后，對應于待充電目標EC1的一組TRM 采集信號可記為,其中

。

然后，按照同樣的方式依次單獨激勵EC2,EC3,EC5,EC8，仍然發(fā)射充電請求信號X ，記錄分別對應EC2,EC3,EC5,EC8的4 組TRM 采集信號；

最后當全部TRM 采集信號被記錄完畢后，OCC_T 控制K1~K16使得BPF1~BPF16與PA1~PA16相連，并通知OCC_R1~OCC_R9，由OCC_R1~OCC_R9控制S1~S9使得EC1~EC9與PRU1~PRU9相連。

步驟二：對已記錄的信息進行處理。具體操作分3 小步：

①根據式(1)計算待充電目標ECi（i =1, 2, 3, 5,8）與TR 天線TRj之間的信道傳輸函數Hj ,i；

②根據式(2)計算聚焦于ECi的TRM 回傳信號；

③根據式(3)計算若將TRM 回傳信號饋入TRM 時待充電目標ECk的接收信號，其中（k =1, 2, 3, 5,8）。

步驟三：計算或優(yōu)化出疊加系數。

已知待充電目標ECk（k=1, 2, 3, 5,8）期望的無線充電信號幅度為，假設5 個基本場的疊加系數分別為w1?, w2?, w3?, w5?, w8?，合成TRM 激勵信號可由式(4) 計算出，若將該信號饋入TRM，待充電目標ECk?的接收信號為Zk?可由式(2)計算出。

①TR 單點聚焦場在其余待充電目標處的副瓣小于SLL（-10dB）時，可忽略副瓣場對輸能效果的影響，視Zi=0，k≠i ，式(5)被簡化為式(6)，wk直接設置為即可，記為，那么；

②在本實例中，相鄰能量收集天線的間距僅為半個工作波長，TR 單點聚焦場在其余待充電目標處的副瓣遠大于SLL（-10dB），需要對疊加系數w1, w2, w3, w5, w8進行優(yōu)化設計，使式(7)中的功率偏離量ΔP 盡可能小而式(8)中的空間能效η盡可能大，其物理意義為使得待充電目標精準地得到自身期望的充電功率，并盡可能地提高充電效率（效率越高，被竊取的能量越少）。最終優(yōu)化出的最佳疊加系數為。

步驟四：產生合成TRM 激勵，并饋入TRM，形成多點聚焦場。

具體操作分2 小步：

①本實例中，疊加系數由優(yōu)化得出，最佳的合成TRM 激勵可由式(9)計算；

②OCC_T 控制并改變PA1~ PA16的放大倍數A1~ A16與PS1~ PS16的相移P1~ P16，使得TR1~ TR16能發(fā)射幅度A1opt~ A16opt，相位φ1opt~ φ16opt的正弦波；

步驟五：無線能量的接收。

TR 多點聚焦場將同時聚焦于待充電目標EC1,EC2,EC3,EC5,EC8處，它們將高強度的空間電 磁波轉換為高頻電流，然后經過整流電路PRU1,PRU2,PRU3,PRU5,PRU8轉換為直流并為LOAD1,LOAD2,LOAD3,LOAD5,LOAD8供電。各待充電目標的負載得到預期的接收功率，而其余非授權目標則幾乎沒有能量接收。

當環(huán)境改變或能量收集天線的位置發(fā)生變化時，跳轉步驟一，再次發(fā)射充電請求信號，重新采集無線信道信息，即可使電磁能量仍在各待充電目標處聚焦，繼續(xù)維持多目標選擇性輸能的效果。

按照圖4 的模型對本實例的收發(fā)無線鏈路部分進行仿真，結果如圖5 所示， 圖5(a)為不優(yōu)化疊加系數的電場強度分布，圖5(b)為優(yōu)化疊加系數后的電場強度分布，顯然，優(yōu)化疊加系數后場的均勻性得到大幅度提高（本實例無線功率按111 分配），而未被選定的目標位置場的強度被極大地抑制，而且因為將原本可能被竊取的無線能量重新收集并輸送至待充電目標，收發(fā)天線間的空間能效從50.95%增至74.8%。圖6 則給出了優(yōu)化疊加系數的實驗結果，實物按照仿真模型1:1 設計。

圖 4

圖 5

圖 6

在本實例中，16 個TR 天線等間距地圍成一矩形，構成TRM，9 個能量收集天線以九宮格的形式排列，置于TRM 所圍區(qū)域內部。但在實際應用中TR 天線和能量收集天線可以按圓形，橢圓形，三角形等方式排布，也可以非等間隔排布，甚至可以隨意擺放位置。

三、具體產品

本產品采用公司核心發(fā)明專利的電磁微波空間點聚焦無線輸能技術，能夠選擇性地控制受能設備的輸電,受能區(qū)域可調，設備可移動，方向性好?？梢詫崿F幾米遠的無線電能輸送，效率高，適合一定空間全區(qū)域范圍內中小功率的設備移動無線輸能，是真正意義上的無線充電和輸能技術。

優(yōu)點:

1: 陣列天線調整，只有在受能端需要能量時，點聚焦到受能處,其它處無能量，效率高。
2: 無需定位完全移動自適應能量聚焦，即受能端移動后能量跟隨發(fā)射聚焦。
3: 方便擴展，根據不同的受能數量直接增加縮小模塊，也可以接力擴展增加距離。
4: 2.4G/5.8G或900M等開放頻段，無需額外申請。
5：工程方便，只需要簡單的增加反射面即可實現無線傳輸效率提升。

一種簡便產品的無線輸能效果動圖顯示如下:

圖7

受能端物體移動時，發(fā)射端天線跟隨移動，而且點聚焦到受能端接受天線處，效率高，多個受能能端移動只需相應增加發(fā)射端即可擴展使用，同時可以按比例分配各發(fā)射端的功率。目前此系統可用于老年公寓智能手環(huán)無線、智慧動物養(yǎng)殖、無人車間等場合的移動無線輸能場景。更多應用期待和用戶共同挖掘。