本發(fā)明涉及無線能量傳輸與收集技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于微波射頻頻段的具備自動校正功能的低成本的自適應(yīng)無線信息與能量復(fù)用傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無線能量傳輸與收集技術(shù)是(wirelesspowertransmissionandharvesting,wpt)能量通過激光、超聲波、微波、磁共振等方式從發(fā)射端通過自由空間傳輸?shù)浇邮斩说募夹g(shù)。相比有線能量傳輸，無線能量傳輸在空間靈活性、架設(shè)方便性等方面有巨大的優(yōu)勢。在一些特殊的應(yīng)用場景，例如跨島傳輸、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供電、人體內(nèi)微電子設(shè)備充供電、運動檢測傳感器充電等，無線能量傳輸有無可替代的優(yōu)勢。

在多種無線能量傳輸技術(shù)中，基于微波輻射的能量傳輸因傳輸距離靈活性最大(幾十厘米到幾千米)，架設(shè)靈活性最高(一對一、一對多、多對多、多對一)，位置靈活性也最高(在微波傳輸范圍內(nèi))而被研究者廣泛關(guān)注。微波能量傳輸最早的實驗源于nikolatesla的無線功率傳輸實驗，把幾十萬瓦能量從一個海島傳輸?shù)搅硪粋€海島，證明了微波能量傳輸?shù)目尚行?。近年來，微波能量傳輸在空間輸電，太陽能能量傳輸?shù)却蠊β蕬?yīng)用場景有較大的發(fā)展。

在低功率應(yīng)用場景，微波能量傳輸作為一種改善物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點能量獲取情況的革命性技術(shù)，正在逐漸被全球科研界關(guān)注。由于微波能量接收系統(tǒng)的核心器件性能限制，正常的密度因能級太低無法被有效獲取，因此需要確定的可供電能量源。這個能量源通常需要專門的設(shè)計，增加了設(shè)計和制作成本，獨立傳輸?shù)哪芰啃盘栆矔ΜF(xiàn)有的通信系統(tǒng)造成干擾，導(dǎo)致通信系統(tǒng)無法運行。如果能將信息與能量復(fù)合傳輸，將最大程度地利用現(xiàn)有通信系統(tǒng)的模塊，大大減小成本，同時符合信號兼容了通信信號，不會對現(xiàn)代通信傳輸造成干擾，從而使商用微波能量傳輸成為可能。

另一方面，目前現(xiàn)有的能量信號發(fā)射源通常體積較大且位置與信號傳輸方向固定，在移動終端充電的應(yīng)用場合，由于接收系統(tǒng)在空間位置的移動，通常導(dǎo)致能量無法被有效接收從而降低效率，造成能量浪費，發(fā)射和接收系統(tǒng)也沒有有效的保護措施，在位置過近時會因接收能量過大而導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。因此，在實際應(yīng)用過程中設(shè)計具有自適應(yīng)追蹤功能的系統(tǒng)非常必要。

另外在接收系統(tǒng)中，由于遮擋物的出現(xiàn)、發(fā)射能量的變化、位置而方向的改變等，會使接收功率變小，而傳統(tǒng)的接收系統(tǒng)因為核心器件--整流二極管的工作特性，其輸入功率對性能影響較大，導(dǎo)致效率下降；當(dāng)功率過大時，會導(dǎo)致系統(tǒng)燒壞。因此，有必要研發(fā)一種新型微波能量傳輸與收集系統(tǒng)，克服上述技術(shù)難點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種低成本，易安裝的自適應(yīng)無線信息與能量復(fù)用傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在最大程度與現(xiàn)有通信系統(tǒng)兼容的前提下，實現(xiàn)智能化、高效率的通信與傳能復(fù)用的微波射頻傳輸系統(tǒng)來實現(xiàn)低成本、易安裝、高兼容性、高效率、智能化的無線能量傳輸與收集。

為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種低成本的自適應(yīng)無線信息與能量復(fù)用傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為兩大部分：發(fā)射子系統(tǒng)與接收子系統(tǒng)，所述發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射同時具備能量和信號的復(fù)合信號，通過自由空間傳輸至接收子系統(tǒng)；

所述接收子系統(tǒng)把復(fù)合信號分離到通信鏈路和能量鏈路分別加以利用，實現(xiàn)信息與能量復(fù)用的功能；其中能量鏈路的能量能夠供給后級負(fù)載使用，也能夠供給接收子系統(tǒng)的通信鏈路使用；同時，接收子系統(tǒng)通過能量管理、監(jiān)測與反饋，把接收子系統(tǒng)的實時工作性能反饋給發(fā)射子系統(tǒng)，發(fā)射子系統(tǒng)根據(jù)反饋信號調(diào)整發(fā)射系能，從而實現(xiàn)自校正功能，維持整個系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。

其中所述發(fā)射子系統(tǒng)包括：基站/移動終端、數(shù)據(jù)信號處理器、可變增益放大器、模擬濾波器、大信號載波生成器、調(diào)制器、射頻濾波器、可變增益射頻功率放大器、射頻功率分配器陣列、射頻移相器陣列、發(fā)射天線陣、射頻控制模塊、低速鏈路接收器和反饋接收天線；

其中，基站/移動終端提供原始的通信基帶傳輸信號，依次經(jīng)過數(shù)據(jù)信號處理器，可變增益放大器和模擬濾波器進行處理，處理后的信號具備能夠被調(diào)制的特性，再通過調(diào)制器把大信號載波生成器生成射頻載波與模擬濾波器輸出的基帶調(diào)制信號進行調(diào)制，繼而輸出基礎(chǔ)的射頻通信信號；為了具備與現(xiàn)代通信系統(tǒng)與信號兼容的特性，基站信號接收器、數(shù)字信號處理器、可變增益放大器、模擬濾波器、調(diào)制器均采用已經(jīng)成熟應(yīng)用的通信技術(shù)，并可采用soc或pcb形式進行電氣連接，其具體的功能在此不再贅述。其中，大信號載波發(fā)生器包括射頻振蕩器和前置放大器，為基帶信號提供比現(xiàn)有通信系統(tǒng)更大能級的載波能量信號并參與調(diào)制，而調(diào)制器的調(diào)制模式不對接收系統(tǒng)的接收特性與性能造成限制，可根據(jù)不同的應(yīng)用場景采用不同的調(diào)制方式?；A(chǔ)的射頻通信信號依次輸入到射頻濾波器和可變增益射頻功率放大器進行進一步處理，把基礎(chǔ)的射頻通信信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰繌?fù)合信號；射頻濾波器用于濾除在調(diào)制過程中產(chǎn)生的高次諧波，提高通信系統(tǒng)的信噪比，可變增益射頻功率放大器對調(diào)制并濾波后的調(diào)制信號進行可調(diào)增益的射頻功率放大，使其具備能量復(fù)用信號的能級；射頻放大能量主要由低紋波電源提供。同時，電源具備低紋波特性，從而減小對信號帶來的干擾。

從可變增益射頻功率放大器輸出的能量復(fù)合信號依次通過射頻功率分配器陣列、射頻移相器陣列和發(fā)射天線陣，高效并且集中地往自由空間的某個確定的方向傳輸；射頻功率分配器陣列提供等分的功率分配，使其進入射頻移相器陣列的不同通道，不同通道的能量分別由發(fā)射天線陣輻射出去，從而形成高主瓣，低副瓣的能量波束，在空間內(nèi)有效傳輸；

發(fā)射子系統(tǒng)在進行能量復(fù)合信號發(fā)射的同時，也通過另外一條通信鏈路接收接收子系統(tǒng)傳來的性能反饋信號，并根據(jù)反饋信號自適應(yīng)地調(diào)整發(fā)射性能，從而實現(xiàn)自校正功能；

反饋接收天線接收到接收子系統(tǒng)傳來的信號，傳導(dǎo)到低速鏈路接收器處理，然后傳輸?shù)缴漕l控制模塊；射頻控制模塊根據(jù)反饋數(shù)據(jù)產(chǎn)生第一控制邏輯調(diào)節(jié)射頻移相器陣列的相位，從而調(diào)節(jié)波束的主瓣方向；同時根據(jù)接收電壓信號調(diào)節(jié)可變增益射頻功率放大器，從而調(diào)整發(fā)射功率大小。

所述接收子系統(tǒng)包括：接收天線陣、能量分離器、諧波抑制濾波器、通信接收機、射頻整流器、直通濾波器、能量管理器、能量管理反饋控制器、低速鏈路發(fā)射器、反饋發(fā)射天線和負(fù)載；接收天線陣接收傳輸或者空間的復(fù)合能量信號和較強的通信信號，并通過能量分離器從復(fù)合能量信號中分離出通信信號和能量信號，通信信號進入通信鏈路，由通信接收機進行處理，能量信號進入能量鏈路，依次由諧波抑制濾波器、射頻整流器和直通濾波器處理，將其從射頻能量轉(zhuǎn)化為直流能量，并由能量管理器進行高效管理；管理后的直流能量能夠儲存起來，或者供給通信接收機、能量管理反饋控制器、低速鏈路發(fā)射器和負(fù)載使用；

在通信鏈路中，通信接收機處理通信的信號，包括檢波，小功率前置放大，解調(diào)等模塊。同發(fā)射機的一樣，這些模塊均采用已經(jīng)成熟應(yīng)用的通信技術(shù)，并可采用soc或pcb形式進行電氣連接，其具體的特性在此不再贅述；

能量分離器分離出通信信號和能量信號，大部分能量進入能量鏈路，依次由諧波抑制濾波器、射頻整流器進行射頻-直流轉(zhuǎn)換，諧波抑制濾波器的作用是抑制整流器工作時因為核心器件—二極管的非線性特性產(chǎn)生的高次諧波，使諧波能量反彈到整流器做二次整流，直流能量通過直通濾波器，輸入到能量管理器，直通濾波器阻止任何工作頻率以外的諧波能量進入后級，同時配合諧波抑制濾波器把整流器產(chǎn)生的高次諧波封鎖在整流器前后級之間，諧波能量在前后級之間返回被整流，從而提高系統(tǒng)能量利用率；能量管理器接收到直流能量，將能量通過直流轉(zhuǎn)換手段進行動態(tài)穩(wěn)定，使其輸出到后級直流負(fù)載和通信接收機以供給接收機工作；

同時，能量管理器采集信號同時收集信號電平，判斷接收子系統(tǒng)是否處于最優(yōu)工作狀態(tài)，并依此調(diào)整能量管理性能，以及把性能數(shù)據(jù)發(fā)送到低速鏈路發(fā)射器，并由反饋發(fā)射天線傳導(dǎo)到自由空間，被發(fā)射子系統(tǒng)接收，完成自校正功能的反饋鏈路。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）發(fā)射子系統(tǒng)最大程度兼容現(xiàn)代通信系統(tǒng)，從而減小成本；

（2）發(fā)射波束方向與強度根據(jù)接收的效率和電壓智能改變與開關(guān)，在工作中最大程度優(yōu)化效率；

（3）接收子系統(tǒng)最大程度兼容現(xiàn)代通信系統(tǒng)的模塊，從而減小成本；

（4）接收子系統(tǒng)同時接收能量與通信信號，并分別高效利用；

（5）接收子系統(tǒng)采用高效的能量自動管理系統(tǒng)，以超低功耗管理接收的能量并反饋信息。

（6）整體系統(tǒng)重量輕，體積小，易于集成，成本較低。

附圖說明

圖1是低成本易安裝的自校正無線通信與傳能復(fù)用系統(tǒng)的系統(tǒng)模塊框圖。

圖2是自校正的工作模式拓?fù)鋱D。

圖3是通信與傳能復(fù)用的系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

圖4是自校正復(fù)用系統(tǒng)的工作流程簡圖。

圖5是一種一發(fā)射多接收的自校正復(fù)用系統(tǒng)實現(xiàn)形式的展示圖。

具體實施方式

附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產(chǎn)品的尺寸；

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的說明。

圖1中，1-基站/移動終端、2-數(shù)據(jù)信號處理器、3-可變增益放大器、4-模擬濾波器、5-大信號載波生成器、6-調(diào)制器、7-射頻濾波器、8-可變增益射頻功率放大器、9-射頻功率分配器陣列、10-射頻移相器陣列、11-發(fā)射天線陣、12-射頻控制模塊、13-接收天線陣、14-能量分離器、15-諧波抑制濾波器、16-通信接收機、17-射頻整流器、18-直通濾波器、19-能量管理器、20-負(fù)載、21-能量管理反饋控制器、22-低速鏈路發(fā)射器、23-反饋發(fā)射天線、24-低速鏈路接收器、25、26、28、29-第一、第二、第三、第四控制邏輯、27-反饋接收天線。

發(fā)射子系統(tǒng)的形式為能量發(fā)射機。根據(jù)應(yīng)用場景和供電節(jié)點的不同，發(fā)射機數(shù)量可以為一臺，也可以為多臺。本實施例以一臺發(fā)射機的工作原理來闡述整個系統(tǒng)的工作與設(shè)計流程，僅以描述方便為出發(fā)點，實際上不構(gòu)成對發(fā)射機的數(shù)量的限制。同理，接收機在相當(dāng)多的應(yīng)用場景存在多個節(jié)點的情況，這里為清楚描述，只分析一臺接收機的工作流程，實際上不構(gòu)成發(fā)射機的數(shù)量限制。事實上，一臺發(fā)射機對應(yīng)多臺接收機，多臺發(fā)射機對應(yīng)多臺接收機，多臺發(fā)射機對應(yīng)一臺接收機的情況是在控制算法上的拓展。

請參見附圖1。本實施例為一種低成本易安裝的自適應(yīng)無線信息與能量復(fù)用傳輸系統(tǒng)。主要實現(xiàn)三大功能：發(fā)射、接收和校正控制。

基站/移動終端1、數(shù)據(jù)信號處理器2、可變增益放大器3、模擬濾波器4、大信號載波生成器5、調(diào)制器6、射頻濾波器7、可變增益射頻功率放大器8、射頻功率分配器陣列9、射頻移相器陣列10、發(fā)射天線陣11、射頻控制模塊12、+低速鏈路接收器24和反饋接收天線27構(gòu)成了發(fā)射子系統(tǒng)。信號的流向如附圖1中箭頭所示。

首先，基站/移動終端1、數(shù)據(jù)信號處理器2、可變增益放大器3、模擬濾波器4、調(diào)制器6構(gòu)成了現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的基帶信號和調(diào)制器處理部分，為了使系統(tǒng)具有兼容現(xiàn)代通信系統(tǒng)的特性，這五個部件的功能與特性應(yīng)與現(xiàn)代通信系統(tǒng)的對應(yīng)部件較為類似。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，這是公知結(jié)構(gòu)，故不再贅述。調(diào)制器的調(diào)制方式可根據(jù)實際應(yīng)用場景與產(chǎn)品選擇，在本系統(tǒng)中不構(gòu)成影響實際能量接收性能的因素。在本實施例展示系統(tǒng)中基于成本、尺寸、技術(shù)方案成熟度上，選擇ofdm調(diào)制方式。大信號載波生成器5為振蕩與混頻器，其基本功能也與現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本功能類似，在此不再贅述。振蕩器的震蕩頻率應(yīng)為射頻微波波段的頻率，所選擇的頻段應(yīng)在常用幾種ism頻段內(nèi)選擇，以兼容現(xiàn)代通信系統(tǒng)，但在本系統(tǒng)中工作頻率不構(gòu)成影響能量接收的因素，可根據(jù)實際應(yīng)用場景進行選擇。需要注意，接收子系統(tǒng)的工作頻段應(yīng)能兼容發(fā)射子系統(tǒng)的工作頻段，以保證接收子系統(tǒng)能有效接收能量。在本實施例的展示系統(tǒng)中，為了適應(yīng)某種具有單一較窄工作頻段的能量接收子系統(tǒng)，對振蕩器進行優(yōu)化設(shè)計，使其通常可在ism頻段的上下限頻點可調(diào)(本實施例為4.125ghz-5.275ghz)，并根據(jù)射頻控制模塊12產(chǎn)生的第一控制邏輯25進行調(diào)整，從而適應(yīng)在同一頻段不同信道，具有輕微頻率偏差的接收子系統(tǒng)。第四控制邏輯29的工作流程將在附圖5的描述中詳細(xì)說明。

調(diào)制器6輸出已經(jīng)調(diào)制好的信號，進入射頻濾波器7。射頻濾波器7是一個帶阻濾波器，主要功能是濾除在大信號載波生成器5工作時產(chǎn)生的高次諧波，提高調(diào)制信號的信噪比，由于信號進入可變增益射頻功率放大器8之后會被高增益放大，調(diào)制器6有效地提高了系統(tǒng)的通信性能。射頻濾波器7的制作形式可以微帶線、帶狀線等有多種，結(jié)構(gòu)有sir，環(huán)形、發(fā)夾型多種，不構(gòu)成對本系統(tǒng)性能的限制，但應(yīng)注意設(shè)計在工作基頻的對應(yīng)二次、三次頻點(本實施例的二次頻段為9.6ghz左右，三次在13.4ghz左右)有不小于-20db的衰減，同時在基頻和基帶頻率有不高于0.5db的插入損耗，保證通帶的通過性能。

經(jīng)過射頻濾波后的通信信號進入可變增益射頻功率放大器8；可變增益射頻功率放大器8的作用是把通信調(diào)制信號放大到可以供給天線空間輻射的程度。射頻功放的增益可以有兩種模式，一種是通信模式，放大后的功率級一般在20db左右；另一種是能量傳輸模式，放大后的功率級一般在30db以上。這兩種模式可以由射頻控制模塊根據(jù)反饋信號來切換，第二控制邏輯26的工作流程將在附圖4的描述中詳細(xì)說明。

可變增益射頻功率放大器8的實現(xiàn)方式有多種，不構(gòu)成對本系統(tǒng)性能和實現(xiàn)形式的限制，但在設(shè)計中應(yīng)注意使放大器具備以下特性：較高線性度，以保證載波信號不失真；高效率，以保證能量信道的能量高利用率；多級增益，以在不同的實際工作條件下調(diào)整增益，調(diào)整的依據(jù)來自射頻控制模塊；一定的增益帶寬，放大器應(yīng)在載波有頻率微調(diào)時保持高增益與高效率，從而保證能量信道的性能。該功率放大器的能量由低紋波電源提供，供電電壓一般在6v–33v。已作為能量信號的主要能量來源，低紋波電源應(yīng)有較高的效率與較低紋波值。

經(jīng)過放大的射頻信號進入射頻功率分配器陣列9。高性能射頻功率分配器9把一路載波信號等分分配到n個支路(n的取值根據(jù)應(yīng)用場景大小改變)。高性能的具體要求為：首先，各通道的插入損耗應(yīng)控制在小范圍，具體體現(xiàn)在各前向通道的通過參數(shù)sn1要求有低的插損(0.3db以下)，保證能量有較高的利用率；要求主通道各子通道的反射系數(shù)s11和snn在-20db以下；同時，各子通道之間應(yīng)該有較高的隔離度，使各通道能較獨立運行互不影響，從而減小天線陣列的設(shè)計難度，并在其中一個子通道工作出現(xiàn)異常時防止系統(tǒng)性風(fēng)險的發(fā)生，具體表現(xiàn)在smn應(yīng)該在-20db以下。各子通道的能量出口加入一個開關(guān)，開關(guān)由射頻控制模塊控制，以實現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)工作情況開關(guān)子通道的功能。

射頻移相器陣列10、發(fā)射天線陣11組成可編程相控天線陣。射頻功率分配器陣列9的每一條子通道分別對應(yīng)且唯一對應(yīng)射頻移相器陣列10的一條子通道，并且對應(yīng)且唯一對應(yīng)發(fā)射天線陣11的一個天線單元。信號能量經(jīng)過射頻功率分配器陣列9分路的各個子通道分別流入射頻移相器陣列10的對應(yīng)子通道，經(jīng)過移相器陣列的子通道分別移相后，通過發(fā)射天線陣11的天線單元輻射到自由空間。本技術(shù)領(lǐng)域的人員應(yīng)能明白，各路子通道的信號進入天線輻射單元前通過移相器通過調(diào)整不同通道的相位延遲，讓子通道等分的各束能量的輻射時間節(jié)點各延遲設(shè)定好的相位角，使得各自通道的輻射能量波陣面在設(shè)定的傳輸方向上的每一個點的每一個時間節(jié)點都是信號波峰的疊加，從而大大增強在某個設(shè)定方向上的能量傳輸強度，根據(jù)能量守恒定律，則在這個方向形成集中的信號波束，減小自由空間的散射，提高能量信號的能量利用率。進一步地，當(dāng)接收子系統(tǒng)位置移動時，為了保持高效率的能量傳輸，發(fā)射能量波束的傳輸方向也應(yīng)發(fā)生變化，這一點可以通過可編程移相器陣列，由射頻控制模塊12產(chǎn)生的邏輯控制移相序列來改變，第二控制邏輯26的工作流程將在附圖4的描述中詳細(xì)說明。

更進一步地，可通過在天線陣添加物理轉(zhuǎn)向設(shè)備，已適應(yīng)接收子系統(tǒng)更大位移的情況。射頻移相器陣列10、發(fā)射天線陣11可以有多種實現(xiàn)方式，不構(gòu)成對本專利的限制，但在設(shè)計中射頻移相器陣列10應(yīng)具備低插入損耗、高移相穩(wěn)定度、高移相精確度、可編程、成本低、重量輕的特性；發(fā)射天線陣11應(yīng)具備高增益、小面積、高輻射效率、輕重量等的特性。

接收天線陣13、能量分離器14、諧波抑制濾波器15、通信接收機16、射頻整流器17、直通濾波器18、能量管理器19、能量管理反饋控制器21、低速鏈路發(fā)射器22、反饋發(fā)射天線23和負(fù)載20，構(gòu)成了接收子系統(tǒng)。在自由空間傳輸?shù)纳漕l能量通過接收天線陣13接收并傳輸?shù)胶蠹?。接收天線陣13為高性能天線陣，其實現(xiàn)形式有多種，不構(gòu)成對本系統(tǒng)的實施的限制，但在設(shè)計時應(yīng)注意達到以下性能指標(biāo)：天線陣列應(yīng)在接收頻段范圍內(nèi)具有較好的反射性能，要求頻段內(nèi)s11在-20db以下；天線陣列應(yīng)有較寬的主瓣范圍，并具有較高的增益，要求g在22db以上；天線陣列應(yīng)具有高接收效率，接收效率要求達到90%以上；在能量傳輸?shù)膽?yīng)用場景，要求天線的極化方式為線極化，并對應(yīng)發(fā)射天線的極化方向，以使能量鏈路傳輸效率最大化。在能量收集應(yīng)用場景，天線應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臉O化方式以接收來自不同方向的能量。

接收天線陣13從把射頻能量從自由空間傳導(dǎo)到能量分離器14，由能量分離器14對信號進行分離。發(fā)射子系統(tǒng)的工作方式可知通信信號與載波信號復(fù)合加載，因而能量分離器14說提到的“分離”概念實際上是把復(fù)合信號重新分為兩部分，能級較大的信號能量輸入到能量轉(zhuǎn)換鏈路，能級較小的信號能量輸入到通信鏈路進行處理。由于發(fā)射信號已經(jīng)經(jīng)過可變增益射頻功率放大器8進行高效率放大，信號能級已經(jīng)被放大，小部分信號能量仍然能被通信接收機16中的檢波器模塊檢測到并進行有效處理。通信接收機16的組成和工作原理和現(xiàn)代通信系統(tǒng)的功能相同，此領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該了解，在此不再贅述。同理，由于發(fā)射信號能級已經(jīng)被放大，普通的通信接收機也能接收并檢測到發(fā)射天線陣旁瓣的信號，從而保證了本實施例在對信號進行通信與傳能復(fù)用的同時保持與現(xiàn)代通信系統(tǒng)的兼容性。

能量分離器14的實現(xiàn)形式有多種，不構(gòu)成對本發(fā)明保護權(quán)力的限制。在本實施例中對能量分離器14的性能有具體要求。能量分離器應(yīng)能高效地分離能量信號和通信信號，分離效率通過能量信號與通信信號的比值、通信信號的純凈度來衡量。分離后大功率分配子路接到諧波抑制濾波器15，小功率分配子路接到通信接收機16。為了有效傳輸能量，能量分離器14的能量反射和插入損耗應(yīng)該控制在較低水平；為避免工作時兩個自通路互相影響，子路之間應(yīng)提高足夠的隔離度。進一步地，能量分離器14可以由能量管理反饋控制器21產(chǎn)生的邏輯控制來針對不同的工作狀態(tài)，分別或同時對進入諧波抑制濾波器15或通信接收機16的通道進行關(guān)斷處理。第三控制邏輯28的工作流程將在附圖2的描述中詳細(xì)說明。

諧波抑制濾波器15、射頻整流器17、直通濾波器18共同構(gòu)成了接收子系統(tǒng)能量鏈路的射頻能量轉(zhuǎn)換模塊(rftodcmodule)，模塊作用是比射頻能量高效率地轉(zhuǎn)換為直流能量，輸入到能量管理器19。諧波抑制濾波器15的主要作用有兩個：一是抑制來自能量分離器14的能量信號中的雜波，防止雜波對射頻整流器17工作造成影響(在能量收集應(yīng)用場景中，諧波抑制濾波器15表現(xiàn)為低通可以廣泛吸收900mhz到5.8ghz的能量，而濾掉更高頻能量，這是對在能量傳輸場景的諧波抑制濾波器15的性能擴展，不構(gòu)成對本發(fā)明保護權(quán)利的限制)；二是對射頻整流器17工作時由于肖特基二極管的非線性特性所產(chǎn)生的高次諧波進行發(fā)射，防止高次諧波能量倒流到接收天線陣13而產(chǎn)生二次輻射，從而降低能量利用率。射頻整流器17將射頻能量高效轉(zhuǎn)換為直流能量，主要由核心器件—肖特基整流二極管完成。射頻整流器17選擇的二極管模式也有多種，二極管連接結(jié)構(gòu)也有多種，可根據(jù)實際應(yīng)用的時輸出電壓和輸入功率規(guī)模選擇，不構(gòu)成對本發(fā)明保護的范圍，但在設(shè)計中應(yīng)使其具備高轉(zhuǎn)換效率、低插入損耗、尺寸小、易于集成的特性。能量在經(jīng)過射頻整流器17后，大部分轉(zhuǎn)換為直流能量，小部分由于肖特基二極管工作時產(chǎn)生的非線性轉(zhuǎn)換為高次諧波能量，還有極小部分為二極管一次整流剩余的基頻能量。直通濾波器18的功能是通過直流能量，而反射所有基頻和高次諧波能量，防止射頻能量影響后級直流模塊?；l能量到達直通濾波器18被反射，返回射頻整流器17被二次整流，而高次諧波能量則在諧波抑制濾波器15和直通濾波器18之間反復(fù)反射，從而被射頻整流器17反復(fù)整流，從而提高能量利用率。直通濾波器18的實現(xiàn)形式有多種，不構(gòu)成本專利保護范圍的限制，但在設(shè)計時應(yīng)使其具備射頻強抑制、尺寸小、易于集成的特性。

由于射頻整流器17產(chǎn)生的直流電壓會隨著輸入功率的變化而變化，在應(yīng)用場景中不能提供持續(xù)穩(wěn)定的直流電壓。這種電壓不能直接加載在后級負(fù)載，否則會造成負(fù)載系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至燒毀。因此，經(jīng)過射頻整流器17后的原始直流能量需要通過能量管理器19進行管理。

能量管理器19的主要作用模塊有三個：（1）升降壓模塊：把變化的直流輸入信號轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流輸出信號；（2）采樣模塊：采樣并記錄輸入直流信號，并把信號輸入到能量管理反饋控制器21；（3）儲能模塊：把穩(wěn)定的直流輸出信號儲存到儲能元件，并在儲能達到一定程度后，根據(jù)需求輸送到后級負(fù)載使用。

采樣模塊首先采集射頻整流器17的原始輸出直流電壓，這個直流電壓信號會提供給升降壓模塊，調(diào)節(jié)升降壓模塊以此電壓為基礎(chǔ)調(diào)節(jié)工作性能；同時這個直流電壓信號會提供到能量管理反饋控制器21，供給能量管理反饋控制器21進行反饋控制與發(fā)射子系統(tǒng)回饋信息處理。采樣模塊的實現(xiàn)形式有多種，不構(gòu)成對本專利技術(shù)保護范圍的限制，但在實際設(shè)計過程中應(yīng)使其具備精確電壓采樣，低啟動分辨電壓，低損耗，易于集成的特性。

升降壓模塊主要由可編程電壓轉(zhuǎn)換比的dc-dc升降壓轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，升降壓通過高性能的dc-dc升降壓，把原始的直流電壓轉(zhuǎn)換為適用于儲能模塊能量輸入的電平接口。通過編程功能，配合采樣模塊的采樣電平和對射頻整流器17中整流二極管的轉(zhuǎn)換電壓數(shù)據(jù)建模，可以對射頻整流器17輸出的變化電壓進行實時跟蹤，調(diào)整dc-dc部件的轉(zhuǎn)換特性，使dc-dc的直流輸出維持在一個較穩(wěn)定的狀態(tài)。通過對具體設(shè)計的肖特基二極管的輸出性能進行建模，獲得其最優(yōu)效率電壓點，配合可編程dc-dc升降壓轉(zhuǎn)換器，可以使射頻整流器17在不同的輸入能量大小下維持最高的能量利用率，從而保證接收子系統(tǒng)在不同物理位置和工作狀態(tài)下的最優(yōu)性能?？删幊蘢c-dc模塊的實現(xiàn)形式有多種，不構(gòu)成對本專利技術(shù)保護范圍的限制，但在設(shè)計時應(yīng)使其具備低啟動電壓輸入、寬電壓轉(zhuǎn)換比、高轉(zhuǎn)換效率、低功耗、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、可編程、易于集成的特性。

儲能模塊把升降壓模塊輸出的穩(wěn)定電壓儲存起來，存儲量達到一定程度后，輸送到能量分離器14或負(fù)載20進行利用。儲能模塊具備判斷邏輯和能量開關(guān)，結(jié)合對接收子系統(tǒng)負(fù)載的建模，判斷能量分離器14或負(fù)載20一次完整工作周期的能耗，在自身儲存能量超過這個能耗的前提下，結(jié)合能量分離器14或負(fù)載20的工作需求開啟能量開關(guān)，從而實現(xiàn)儲能休眠狀態(tài)到能量輸送狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)能量不足以攻擊能量分離器14或負(fù)載20工作時，儲能模塊則轉(zhuǎn)換到儲能休眠狀態(tài)。儲能模塊的實現(xiàn)形式有多種，不構(gòu)成對本專利技術(shù)保護范圍的限制，但在設(shè)計時應(yīng)其實具備低漏電損耗，低開關(guān)損耗，高存儲容量，低控制功耗的特性。

射頻控制模塊12、能量管理反饋控制器21、低速鏈路發(fā)射器22、反饋發(fā)射天線23、低速鏈路接收器24、四條控制邏輯25、26、28、29、反饋接收天線27組成自校正無線通信與傳能復(fù)用系統(tǒng)的反饋與邏輯控制部分。能量管理器19的采樣模塊采集射頻整流器17的輸出電壓并輸入到能量管理反饋控制器21。能量管理反饋控制器21首先根據(jù)這個信號對接收子系統(tǒng)的是否工作在有能量發(fā)射源的狀態(tài)進行判斷。這個判斷的具體表現(xiàn)為射頻整流器17的輸出電壓v17是否低于一個閾值von1，von1是根據(jù)能量管理器19的最低可輸入電壓來決定，從而產(chǎn)生第三控制邏輯28控制能量分離器14。第三控制邏輯28的工作流程參見附圖3，這個邏輯有三個狀態(tài)判斷：

s301：在能量管理器19還未儲存足夠能量供給能量分離器14工作一個周期時，可由能量管理反饋控制器21產(chǎn)生第三控制邏輯28，控制能量分離器14關(guān)斷通信鏈路子通路，從而提高能量鏈路的輸入功率，加快能量管理器19儲能。

s302：當(dāng)v17<von1，其中v17表示射頻整流器17輸出直流電壓，此時能量管理器19不能正常工作，若此時能量管理器19已經(jīng)儲存足夠的能量，可認(rèn)為能量鏈路不能工作，此時可由能量管理反饋控制器21產(chǎn)生第三控制邏輯28，控制能量分離器14的能量鏈路關(guān)斷，能量全部流過通信接收機16，此時接收子系統(tǒng)為單無線通信系統(tǒng)；

s303：當(dāng)v17>von1且能量管理器19儲能足夠時，能量管理反饋控制器21產(chǎn)生第三控制邏輯28，同時打開通信鏈路與傳能鏈路子通路，兩個子通路同時工作。

能量管理反饋控制器21在產(chǎn)生第三控制邏輯28的同時，把能量管理器19采集的原始直流電壓輸入數(shù)據(jù)與對射頻整流器17建模的最優(yōu)數(shù)據(jù)對比，若兩者之間產(chǎn)生誤差，則啟動低速鏈路發(fā)射器22，并把此時采集的原始直流電壓輸入數(shù)據(jù)與當(dāng)前接收子系統(tǒng)的編碼發(fā)送到低速鏈路發(fā)射器22。由于射頻整流器17的工作性能直接且唯一體現(xiàn)在原始直流電壓上，因此采用電壓數(shù)據(jù)進行對比可盡量簡單化低速鏈路發(fā)射器22的傳輸數(shù)據(jù)形式，從而降低功耗，并簡單化硬件布置，降低成本。能量管理反饋控制器21的實現(xiàn)形式有多種，不構(gòu)成對本專利技術(shù)保護范圍的限制，但在設(shè)計時應(yīng)使其具備低功耗、小尺寸、易集成的特性。

低速鏈路發(fā)射器22被啟動后，把從能量管理反饋控制器21接收的電壓和時間數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)包封裝，并通過反饋發(fā)射天線23發(fā)射，并傳輸?shù)椒答伣邮仗炀€27傳導(dǎo)，由低速鏈路接收器24進行接收。低速鏈路發(fā)射器22、反饋發(fā)射天線23、低速鏈路接收器24、反饋接收天線27的功能與現(xiàn)代低功耗通信系統(tǒng)功能類似，在此不再贅述，但是在設(shè)計時應(yīng)使其具備超低功耗突發(fā)傳輸、超低功耗休眠、易于集成的特性與功能。

解調(diào)后，低速鏈路接收器24把接收到的數(shù)據(jù)包中的電壓和不同接收子系統(tǒng)唯一對應(yīng)的編碼傳輸?shù)缴漕l控制模塊12。射頻控制模塊12已存儲好接收子系統(tǒng)射頻整流器17的建模，把接收到的電壓信號vr分別和上一次接收的信號vrl以及建模最優(yōu)值vrop做對比，以此為依據(jù)啟動自校正功能，產(chǎn)生第一控制邏輯25調(diào)節(jié)射頻移相器陣列10的工作狀態(tài)，第二控制邏輯26調(diào)節(jié)射頻功率分配器陣列9的工作狀態(tài)。特別地，在系統(tǒng)初始工作階段，對于唯一的接收子系統(tǒng)編碼，射頻控制模塊12將把接收到的電壓信號vr與建模最優(yōu)值vrop做對比，并產(chǎn)生第四控制邏輯29調(diào)節(jié)大信號載波生成器5，使信號發(fā)射頻率調(diào)節(jié)到接收子系統(tǒng)最優(yōu)接收頻率。第一控制邏輯25與第二控制邏輯26聯(lián)合實現(xiàn)波束自校正功能，其實際工作場景示意圖請參見附圖3，控制邏輯工作流程請參見附圖4。第四控制邏輯29的工作流程請參見附圖5。

參見附圖3。附圖3是自校正系統(tǒng)的工作模式圖。在這個場景下，發(fā)射子系統(tǒng)位置固定，而接收子系統(tǒng)位置可能移動。為了方便描述，記接收子系統(tǒng)的初始位置為位置0。根據(jù)弗里斯空間傳輸公式，發(fā)射子系統(tǒng)在正對著位置0的方向發(fā)射時，接收子系統(tǒng)有最優(yōu)的能量利用率。以初始位置0位基礎(chǔ)，接收子系統(tǒng)分別可以往四個基礎(chǔ)方向移動。定義附圖3中接收子系統(tǒng)位置0向位置1移動的方向為正向，此時接收子系統(tǒng)和發(fā)射子系統(tǒng)所在位置連線與發(fā)射子系統(tǒng)和位置0連線的夾角為正，則位置0向位置3移動的方向為負(fù)，連線夾角也為負(fù)。由于位置1-2和位置3-4軸對稱，實際上這個場景描述了三種情況：接收子系統(tǒng)位置偏離波束主要方向、接收子系統(tǒng)靠近發(fā)射子系統(tǒng)、接收子系統(tǒng)遠(yuǎn)離發(fā)射子系統(tǒng)。進一步地，由于天線陣尺寸的和移相器移相范圍的限制，可以掃過的方向角度有限，若配合在天線陣安裝一個物理轉(zhuǎn)向裝置，則可以配合天線陣進一步擴寬波束的傳輸方向范圍。為了方便描述，記位置1和發(fā)射子系統(tǒng)的連線與位置0和發(fā)射子系統(tǒng)的連線夾角是smartbeaming通過移相算法能使波束傳播方向偏移的最大角度θ1；記位置2和發(fā)射子系統(tǒng)的連線與位置0和發(fā)射子系統(tǒng)的連線夾角是smartbeaming配合舵機能使波束傳播方向偏移的最大角度θ2。同理位置3、位置4分別對應(yīng)θ3、θ4。定義接收子系統(tǒng)到達位置5時，距離發(fā)射子系統(tǒng)過近，射頻整流器17承受的電壓大于二極管能承受的最大電壓，將會燒壞；接收子系統(tǒng)到達位置6為發(fā)射子系統(tǒng)將可變增益射頻功率放大器8的增益調(diào)到最大時，接收子系統(tǒng)仍能保持最優(yōu)效率的距離。超過這個距離，接收子系統(tǒng)的工作狀態(tài)不再最優(yōu)，而位置6即為整個系統(tǒng)能量利用率能有最優(yōu)值的極限傳輸距離。下面配合附圖4詳細(xì)說明自校正功能的工作流程—也即是第一控制邏輯25、第二控制邏輯26的聯(lián)合工作流程。

參加附圖4。射頻控制模塊12接收到原始直流電壓信號vr后，調(diào)取接收子系統(tǒng)編碼對應(yīng)的建模數(shù)據(jù)vop做對比。這有兩種情況：當(dāng)vr>vop時，進入子流程s401；當(dāng)vr<vop時，進入子流程s402。若vr=vop，則認(rèn)為系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)區(qū)間，無需調(diào)整發(fā)射與接收子系統(tǒng)性能，系統(tǒng)保持問詢狀態(tài)。

s401：這個子流程代表接收子系統(tǒng)處于位置0和位置5連線之間的位置的情況，此時接收子系統(tǒng)接收的功率比處于最優(yōu)工作狀態(tài)時的接收功率大，為了保護器件，首先第二控制邏輯26判斷vr是否大于射頻整流器17能承受的最大電壓vbr。若大于vbr，則發(fā)出控制指令先關(guān)閉直通濾波器8，此時直通濾波器8的增益為0，保護接收子系統(tǒng)。此時接收子系統(tǒng)工作模式改變?yōu)閱渭兊耐ㄐ畔到y(tǒng)，直到檢波電平處于正常水平，再改變這個狀態(tài)；若小于或等于vbr，則發(fā)出指令降低直通濾波器8的增益，并通過迭代的方式反復(fù)比較，重新找到適合接收子系統(tǒng)最優(yōu)工作點的增益，若找到，則認(rèn)為本次校正完成。

s402：這個子流程代表三種情況：

（1）接收子系統(tǒng)的位置改變，處于位置0和位置2之間。

（2）接收子系統(tǒng)的位置改變，處于位置0和位置4之間。

（3）接收子系統(tǒng)的位置改變，處于位置0和位置6之間。

此時主要作用的是第二控制邏輯26。第二控制邏輯26首先產(chǎn)生相應(yīng)的移相算法，使天線陣波束方向改變+1度。+1度代表的是移相陣列算法的移相精度，只是為了方便描述，實際上根據(jù)設(shè)計的移相器陣列的性能而改變數(shù)值。在方向改變+1度后，射頻整流器17輸出的原始直流電壓vr必然改變而產(chǎn)生新值，上一個采樣周期采樣的電壓變?yōu)関rl。此時射頻控制模塊12再將新值vr和舊值vrl比較，這會產(chǎn)生兩種情況：

(1)若vr>vrl，證明波束方向的改變正確。此時進入子流程s403進行循環(huán)迭代，不斷調(diào)整正向角度，最優(yōu)使新值vr接收建模數(shù)據(jù)最優(yōu)值vop，從而完整方向自校正。特別地，當(dāng)射頻控制模塊12發(fā)現(xiàn)波束方向改變已經(jīng)達到smartbeaming最大正向角度時，將進入子流程s404，使用舵機配合smartbeaming進一步增大正向角度，繼續(xù)優(yōu)化接收子系統(tǒng)的能量利用率。

(2)若vr<vrl，證明波束方向向著反方向偏離，接收子系統(tǒng)處于位置0和位置4之間。此時射頻控制模塊12產(chǎn)生新的移相算法，是天線陣波束方向改變-1度，并進入子流程s405、s407。由于此部分工作機理和(1)類似，只是改變方向相反，故不再重復(fù)描述。

(3)如果在情況(2)中，當(dāng)波束傳輸方向為-1度時，vr<vrl，那就證明接收子系統(tǒng)的位置并沒有發(fā)生方向上的偏離，而是朝著位置0的方向遠(yuǎn)離的發(fā)射子系統(tǒng)，此時接收子系統(tǒng)處于位置0和位置6之間的位置。這時候第一控制邏輯25產(chǎn)生新的算法，使波束調(diào)整+1度，使波束重新對正位置0的方向。然后，第二控制邏輯26控制可變增益射頻功率放大器8，增強可變增益射頻功率放大器8增益，并進入子流程s406通過迭代重新找到接收子系統(tǒng)最優(yōu)工作點時對應(yīng)的增益。特別低，當(dāng)接收子系統(tǒng)朝著遠(yuǎn)離發(fā)射子系統(tǒng)的方向超過了位置6，此時可變增益射頻功率放大器8增益已經(jīng)達到最大，故繼續(xù)保持最大增益，直到射頻控制模塊12的判斷重新進入s401子流程為止。

在發(fā)射子系統(tǒng)和新的接收子系統(tǒng)初次協(xié)同工作時，射頻控制模塊12還可以產(chǎn)生第三控制邏輯28輕微調(diào)節(jié)大信號載波生成器5的載波頻率，以消除由于接收子系統(tǒng)在制作過程中引入誤差造成的頻率偏差，成為頻率自校正過程。這個過程一般發(fā)生在接收子系統(tǒng)初次工作時，一旦找到最優(yōu)頻率點，則結(jié)合接收子系統(tǒng)的唯一編碼，作為該接收子系統(tǒng)的屬性之一存在并被射頻控制模塊12儲存。往后每次重新工作時，射頻控制模塊12都調(diào)出編碼數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)產(chǎn)生控制第三控制邏輯28調(diào)整大信號載波生成器5的工作頻率。第四控制邏輯29的工作流程請參見附圖5。

參見附圖5。首先射頻控制模塊12接收電壓信號vr，調(diào)取編碼對應(yīng)的建模數(shù)據(jù)vop進行對比。若兩者相等，則認(rèn)為無需校正，接收子系統(tǒng)已經(jīng)工作在最優(yōu)接收頻率；若不等，則第三控制邏輯28通過在源頻率左右范圍內(nèi)微調(diào)，并將新的vr和舊值對比，來尋找最大值vr_max。一旦找到，則認(rèn)為對應(yīng)的大信號載波生成器5頻率即為該接收子系統(tǒng)的最優(yōu)工作頻率。

在一種示例中，列舉了低成本的自適應(yīng)無線信號與傳能系統(tǒng)。在小尺寸，低成本的發(fā)射源能分別對2.5米以外的三個led燈泡供電，并能在1米范圍內(nèi)點亮一個led點陣。另一方面，發(fā)射源也對2.5米的儲能電容進行有效充電，充電后能量即應(yīng)用于傳感器節(jié)點與通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)能較好地在物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點供電、移動手持終端充電等基礎(chǔ)領(lǐng)域。

在另一種示例中，物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)由于布設(shè)數(shù)量大，布設(shè)空間廣泛，位置隨機，使用有線傳輸能量，電線假設(shè)難度大，物料成本高，占地面積大。若傳感器節(jié)點自帶電源，由于缺乏能量補充，節(jié)點的使用周期將由電池的電量決定。若電量耗盡后更換，由于節(jié)點數(shù)量龐大，耗費的更換物料與人力成本巨大。利用本系統(tǒng)的技術(shù)，通過對射頻移相器陣列10相位陣列的調(diào)整，使發(fā)射波形具有多主瓣寬主瓣的特性，通過舵機定位掃描的方式定位不同接收子系統(tǒng)的位置角度，配合波束成型在這些角度循環(huán)發(fā)射能量，將能有效對角度上的節(jié)點進行能量供給與補充，有效解決傳感器節(jié)點能量短板的問題。

在另一種實例中，在先進醫(yī)學(xué)的應(yīng)用中，目前可以把傳感器或者器官輔助工作儀器植入到體內(nèi)檢測病源或者器官的工作情況。然而同樣由于傳感器能量短板問題，當(dāng)傳感器缺電時，更換或再充電難度大，取出風(fēng)險與成本較高。利用自適應(yīng)系統(tǒng)能在一定距離下快速找到能量接收子系統(tǒng)的最優(yōu)工作效率位置，從而快速補給能量，對人體的影響大大減小，延長體內(nèi)傳感器的使用壽命。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。