基于回复反射的多目标跟踪无线能量传输方法研究

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随着物联网的飞速发展,海量的移动/便携式电子设备(例如各种无线传感器)将越来越多地进入我们的生产和生活。无线供电有望解决这些设备采用电池供电续航时间有限的技术瓶颈,因此被认为是下一代物联网的一项支撑性技术。基于回复反射波束成形技术的微波能量传输有可能在远距离(数米甚至更远)上为便携式/移动电子设备无线供能。在反向波束控制中,通过导引信号确定无线能量传输波束的指向。具体而言,一个或多个移动设备向四周发送导引信号,无线能量发射端基于对接收到的导引信号的分析,产生聚焦于移动设备的微波波束。尽管许多研究已经证明,反向波束控制技术可以有效实现对单个目标(本文中“目标”代表“无线能量接收端”)的跟踪,但对于多个目标的反向波束形成,仍然缺乏深入研究。本文研究针对多个目标微波无线能量传输的反向波束控制技术。在多个目标发送多个导引信号的条件下,回复反射波束成形需要根据接收到的多个导引信号形成多个波束分别指向多个目标,其关键是如何准确区分多个目标的导引信号,并在此基础上生成多个反向波束。对此,本文的主要研究工作如下。首先,通过建立数值仿真模型,分析了多目标微波无线能量传输的几种反向波束控制实现方法,包括时分多目标方法、频分多目标方法以及不区分导引信号的回复反射方法。在此基础上,提出并形成了基于频分多波束的多目标回复反射技术方案。然后,为验证该方案的性能效果,搭建了用于多目标无线能量传输的数字反向波束控制实验系统。在该实验系统中,无线能量发射端包括四个中心频点为5.755 GHz的天线单元阵列。在提出的频分方式中,多个目标向无线能量发射端发射5.755 GHz附近不同频点的连续波导引信号。无线能量发射端接收并分析导引信号后,会以其导引信号的频率向每个目标产生一个能量波束。本文中“数字反向波束控制”包含两方面的含义。一方面,将无线能量发射端接收到的导引信号下变频到中频带,然后使用模数转换器将其转换为数字信号。导引信号信息(包括频率,幅度和相位)通过数字信号处理获取。另一方面,数字信号处理生成含有多个频点的数字信号经数模转换器形成基带信号,然后通过镜像抑制上变频至5.755 GHz频带,经放大后馈入四个无线能量发射天线。采用该实验系统,针对两个目标和三个目标进行了实测。当两个目标以相同的频率发射导引信号时,功率传输的性能将严重依赖于两个目标发射的导引信号在无线能量发射端的相干叠加关系,测试结果与理论分析结果一致。当两个目标以各自的频率发送连续波导引信号时,无线能量发射端能够产生两个独立的波束,分别指向两个目标,其稳定的能量传输效率与理论设计相符。
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