一种利用二次谐波定位的无线能量传输系统及方法

1.本发明属于射频无线能量技术领域，涉及一种利用二次谐波定位的无线能量传输系统及方法。


背景技术：

2.无线能量传输是指在不接触的情况下，能量源向能量接收端传播能量的方式。无线能量传输技术主要有电磁感应式耦合、磁谐振耦合、激光无线能量传输和射频无线能量传输等方式。其中电磁感应式耦合和磁谐振耦合属于近场无线能量传输方式，它们的优点是传输效率高，但是缺点是传输距离近。电磁感应式耦合是目前最为成熟的无线能量传输技术，已经广泛应用于各种数码产品和家用电器中，但是电磁感应式耦合只能用于近距离(毫米至厘米级)能量传输。激光无线能量传输和射频无线能量传输属于远场能量传输方式，但是激光无线能量传输抗干扰性较弱，当传输路径中有障碍物时，会严重影响能量的传输效率，且激光的应用具有危险性。相较而言，射频无线能量传输受环境影响较小，且适合远距离的能量传输。
3.射频无线能量传输是一种通过辐射射频电磁波来进行能量传输的无线传输方式。能量发射端射频将直流电能转化成射频能量，射频能量通过天线实现空间能量辐射，射频能量接收器通过收集空间辐射的能量，经由天线、整流电路，转化为便于使用的直流，所转化的直流电能可以直接为低功耗器件供电，或者存储到电池中。射频无线能量传输，与激光能量传输相比，由于电磁波的穿透性，这种能量传输方式具有一定的抗干扰能力；与近场无线能量传输方式相比，射频无线能量传输方式具有潜在的远距离传输能力，但是射频无线能量传输方式存在着能量传输效率较低的问题。影响射频无线能量传输效率的原因主要有射频电磁波在空间中传播会存在路径衰减；射频能量发射端和射频能量接收端的能量转化电路的能量转化效率；射频能量发射天线未对准射频能量接收天线。射频电磁波在空间中传播的路径衰减是不可避免的；对于射频能量发射端和射频能量接收端的能量转化电路的能量转化效率低的问题已有关于更高效的转化电路的研究。
4.而针对能量发射天线和射频能量接收天线的对准问题，当前解决方案大都基于在能量发射端使用波束形成的方法，即在能量发射端使用相控阵天线来形成指向能量接收端天线的波束，但是这种方式要么需要能量接收端先发送信号以使能量发射端确定其位置，这对于低功耗的设备需要额外的电能消耗；要么在能量发射端通过波束扫描的方式来确定能量接收端的位置，但是需要在能量接收端测量收集到的能量功率值，并将其反馈给能量发射端，这不仅需要复杂的扫描算法，而且不仅需要在能量接收端内部集成信号处理模块，也增加了不必要的能量损耗。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供一种利用二次谐波定位的无线能量传输系统，不仅能够提高无线能量传输的距离，还能在不消耗能量接收端电能的情况下实现射频能量发
射端天线和能量接收端天线的对准，进而提高射频无线能量传输系统的传输效率，解决了现有技术中存在的问题。
6.本发明的另一目的是，提供一种利用二次谐波定位的无线能量传输方法。
7.本发明所采用的技术方案是，一种利用二次谐波定位的无线能量传输系统，包括
8.射频能量发射端，所述射频能量发射端的数量至少为三个，且非共面，每个所述射频能量发射端包括
9.能量发射装置，用于将调频连续波信号发射出去；以及
10.二次谐波接收天线，用于接收来自能量接收端的二次谐波信号；以及
11.信号处理模块，用于对所接收到的二次谐波信号进行信号处理，获取能量接收端的位置信息，并将能量接收端的位置信息反馈到能量发射装置，能量发射装置实时调整波束中心对准射频能量接收端；
12.射频能量接收端，所述射频能量接收端包括
13.能量接收整流天线，用于接收来自能量发射端的调频连续波信号的能量并转化为电能，在此过程中通过非线性器件产生二次谐波；以及
14.二次谐波辐射天线，用于将能量接收整流天线产生的二次谐波辐射出去。
15.进一步的，所述射频能量发射端还包括
16.信号源，用于产生原始调频连续波信号，实现电能到射频能量的转化；
17.功率放大器，用于将所产生的信号的功率进行放大，发送至能量发射装置。
18.进一步的，所述能量接收整流天线包括
19.能量接收天线，用于接收能量发射装置发射的调频连续波信号；
20.整流电路，用于将射频能量转化为电能，同时将所产生的二次谐波信号通过二次谐波辐射天线向外辐射。
21.进一步的，三个所述射频能量发射端发射的调频连续波信号分别记为s1、s2和s3，信号s1、s2和s3分别经过射频能量接收端所产生的二次谐波信号分别记为s
r1
、s
r2
和s
r3
，基于三组不同位置的射频能量发射端对应的二次谐波信号，解算出对应射频能量发射端与射频能量接收端的距离，记为r1、r2、r3，获取以三个射频能量发射端为中心、以r1、r2、r3为半径的三个圆的交点，即射频能量接收端的所在位置。
22.进一步的，所述射频能量发射端与射频能量接收端的距离r根据以下公式确定：
[0023][0024]
其中，c表示电磁波的传播速度，ts为扫频周期，即调频连续波信号的周期；b为调频连续波信号带宽，fb表示差频信号的频率，τ为传输时延。
[0025]
进一步的，所述三个射频能量发射端发射的调频连续波信号非相参。
[0026]
一种利用二次谐波定位的无线能量传输方法，采用上述一种利用二次谐波定位的无线能量传输系统，具体按照以下步骤进行：
[0027]
步骤s1，至少三个射频能量发射端的能量发射装置将非相参的调频连续波信号发射出去，所发射的调频连续波信号在空间中传播，被射频能量接收端的能量接收整流天线接收并转化为电能；
[0028]
步骤s2，能量接收整流天线在接收调频连续波信号的过程中，非线性器件产生二
次谐波，通过二次谐波辐射天线辐射出去；
[0029]
步骤s3，射频能量发射端的二次谐波接收天线接收来自能量接收端的二次谐波信号；
[0030]
步骤s4，射频能量发射端通过信号处理模块对所接收到的二次谐波信号进行处理，获取能量接收端的位置信息；
[0031]
步骤s5，信号处理模将能量接收端的位置信息反馈到能量发射装置，能量发射装置实时调整波束中心对准射频能量接收端。
[0032]
进一步的，所述步骤s2、s3中，射频能量接收端的二次谐波辐射天线所发射的二次谐波信号s0表示为：其中ρ0为二次谐波辐射天线所发射信号的振幅，ω0表示输入信号频率，ω0＝2πf0，a表示中间参数，a＝2πb/ts，ts为扫频周期，扫频周期是指调频连续波信号的周期；t为时间；
[0033]
射频能量发射端的二次谐波接收天线所接收的二次谐波信号sh表示为：sh＝ρ1cos(2ω0(t-τ)+a(t-τ)2)，其中ρ1表示二次谐波接收天线所接收到的信号的振幅，τ为传输时延；
[0034]
能量发射端的电路产生发射信号的二次谐波信号sk表示为：sk＝ρ2cos(2ω0t+at2)，其中，ρ2表示能量发射端的电路产生的二次谐波信号的振幅；
[0035]
信号sk与sh混频后得到：
[0036]
其中，第一项cos[(4ω
0-2aτ)t+2at2+(aτ
2-2ω0)t]被滤除，第二项cos[2atτ+(2ω0τ-aτ2)])表示差频信号，差频信号的相位求导后得到其频率，表示为由于τ＝2r/c，其中c表示电磁波的传播速度，因此通过公式即可确定射频能量接收端和射频能量发射端之间的距离r。
[0037]
进一步的，所述步骤s4中，根据空间坐标系中三个射频能量发射端的位置，分别获得射频能量发射端一的坐标为(x1,y1,z1)，射频能量发射端二的坐标为(x2,y2,z2)，射频能量发射端三的坐标为(x3,y3,z3)；假设射频能量接收端的坐标为(x,y,z)，射频能量发射端一、射频能量发射端二和射频能量发射端三分别与射频能量接收端的距离分别记为r1、r2、r3，由于三个射频能量发射端不在同一平面，以三个射频能量发射端为中心、以r1、r2、r3为半径的三个圆的交点即射频能量接收端的所在位置坐标。
[0038]
进一步的，所述射频能量接收端的坐标为(x,y,z)通过以下方程组求解：
[0039][0040][0041][0042]
本发明使用三个射频能量发射装置发射相同频率的调频连续波信号，为了减少能
量在空间传播的损失，同时避免在能量接收端造成额外的能量开销，本发明利用调频连续波雷达信号在非线性器件中会产生谐波信号的特性，将在能量接收端所产生的二次谐波信号通过天线辐射出去，然后三个能量接收装置通过对接收到的二次谐波信号进行信号处理，解算出能量接收端的位置信息，进而将此信息反馈到能量发射端的发射天线，发射天线调整其波束指向，实现射频能量发射天线与能量接收天线的对准。
[0043]
本发明的有益效果是：
[0044]
1、本发明提出的射频无线传输系统，具有能量传输距离远和抗干扰的优点，同时还能够实时调整射频能量发射端的天线波束指向，实现发射端天线和能量接收端天线的对准，从而可以为运动中的设备进行远距离的无线能量传输。
[0045]
2、本发明使用调频连续波信号实现了远距离和高效率的射频无线能量传输，为了实现发射端天线和能量接收端天线的对准，本发明利用了射频电磁波通过非线性器件会产生谐波这一物理特性，通过回收利用二次谐波能量来获取能量接受端的位置信息。不同于其他射频无线能量传输系统，本发明不需要消耗能量接收端的电能完成能量发射端和能量接收端天线的对准，为运动中的设备进行远距离能量传输；比如可为物流仓库中的智能搬运和分拣机器人在工作状态下进行充电，这样无需机器在低电量下回到固定地点休息充电，可以提高机器的工作效率。相比于其他方法，本发明所提出的方法更加适合对可移动、低功耗设备充电，且传输距离更远，传输效率更高。
附图说明
[0046]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0047]
图1是本发明实施例利用二次谐波定位的无线能量传输系统结构图。
[0048]
图2是本发明实施例能量发射端和能量接收端之间的能量传递模型图。
[0049]
图3是本发明实施例整流电路系统流程图。
[0050]
图4是本发明实施例整流器电路原理图。
[0051]
图5是本发明实施例定位算法原理图。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]
实施例1，
[0054]
一种利用二次谐波定位的无线能量传输系统，如图1所示，包括射频能量发射端和射频能量接收端。
[0055]
射频能量发射端包括三个能量发射装置，每个能量发射装置均包含信号源、功率放大器、能量发射天线、二次谐波接收天线和信号处理模块，且三个能量发射装置安装在非
同一个平面上，便于后续获取能量接收端的位置信息。
[0056]
信号源，用于产生原始调频连续波信号，实现电能到射频能量的转化。
[0057]
功率放大器，用于将所产生的信号的功率进行放大。
[0058]
能量发射天线，用于将放大后的调频连续波信号发射出去。
[0059]
二次谐波接收天线，用于接收来自能量接收端的二次谐波信号。
[0060]
信号处理模块，用于对所接收到的二次谐波信号进行信号处理，获取能量接收端的位置信息，并将能量接收端的位置信息反馈到能量发射装置，能量发射装置实时调整波束中心对准射频能量接收端；
[0061]
能量接收端为一个射频能量接收装置，射频能量接收装置中包含能量接收整流天线和二次谐波辐射天线。能量接收整流天线包括一个能量接收天线和整流电路，能量接收天线用于捕获来自能量发射端的调频连续波信号的能量；整流电路将接收到的射频能量转化为电能，在此过程中通过非线性器件产生二次谐波，产生的二次谐波通过二次谐波辐射天线发射出去。
[0062]
射频能量发射端和射频能量接收端之间的能量传递模型如图2所示，三个射频能量发射端分别记为射频能量发射端一、射频能量发射端二和射频能量发射端三。每个射频能量发射端都包含射频能量发射和二次谐波接收两个模块。三个射频能量发射端的发射信号分别记为s1、s2和s3，能量发射信号经过能量接收端电路所产生的二次谐波信号分别记为s
r1
、s
r2
和s
r3
。
[0063]
本发明实施例采用三个能量发射端的目的是为了获得三组不同位置的二次谐波信号，解算出各自与能量接收端的距离，记为r1、r2、r3，作为定位信号，通过后续的信号处理解算出能量接收端的位置信息，通过位置信息调整天线的波束中心的指向，以实现能量发射端到能量接收端天线的对准，进而获得最大功率传输效率。
[0064]
实施例2，
[0065]
一种利用二次谐波定位的无线能量传输方法，包括以下步骤：
[0066]
步骤s1，至少三个射频能量发射端的能量发射装置将非相参的调频连续波信号发射出去；能量发射端通过信号源产生调频连续波信号，所产生的调频连续波信号实现了从电能到射频能量的转化。由于信号源所产生的调频连续波信号功率一般较低，因此在信号源后使用功率放大器将射频信号放大。经功率放大器放大后的射频信号通过射频能量发射端的能量发射天线进行发射。所发射的调频连续波信号在空间中传播，最终会被射频能量接收端的能量接收天线捕获到。射频能量接收端通过能量接收天线接收到信号后，通过整流电路完成将射频能量和电能的转化。
[0067]
步骤s2，能量接收整流天线在接收调频连续波信号的过程中，能量接收整流天线的非线性器件产生二次谐波，将所产生的二次谐波信号通过二次谐波辐射天线向外辐射；
[0068]
整流电路的系统流程，如图3所示；整流电路包括低通滤波器、匹配电路、整流二极管、直通滤波器和负载，信号先通过低通滤波器，然后通过匹配电路和整流电路，最后通过直通滤波器输送至负载，完成无线能量传输；整流电路用于将射频能量转化为电能。
[0069]
首先，输入低通滤波器对调频连续波信号进行滤波，然后匹配电路实现输入低通滤波器与整流二极管之间的匹配，整流二极管将射频信号整流为直流电能，最后通过直通滤波器将整流后的直流电压进行平滑滤波，获得稳定的直流电压。
[0070]
整流二极管采用肖特基势垒二极管，肖特基势垒二极管是整流电路的核心，也对整流电路的整流效率起到决定性作用。肖特基二极管是一种非线性器件，所接收到的调频连续波信号通过非线性器件会产生谐波分量，谐波分量由信号频率的整数倍组成。通过肖特基二极管的电流和电压之间的关系可以表示为其中q是电荷，k表示玻尔兹曼常数，t是温度，n表示理想因子，is表示饱和电流，i(v)表示通过二极管的电压，v表示二极管的导通压降。
[0071]
整流器(整流电路)的输入信号的电压v＝vscos(ω0t)，其中，vs是信号(即调频连续波)的幅度，ω0表示输入信号频率，t表示时间。
[0072]
非线性二极管整流器的输出响应可以通过泰勒级数描述，其中正弦输入信号电压可以表示为v0＝x0+x
1vs
cos(ω0t)+x2[vscos(ω0t)]2+x3[vscos(ω0t)]3+
…
，其中x0,x1,x2,...表示泰勒展开系数。
[0073]
因为所以，
[0074][0075]v0
表示正弦输入信号电压。
[0076]
因此，输出电压包含直流整流输出和交流信号ω0,2ω0,3ω0...。整流器的二次谐波可以表示为同时二次谐波也是谐波响应中功率值最高的谐波分量。本发明实施例利用此物理特性，在射频能量接收端将所产生的二次谐波通过二次谐波辐射天线辐射出去作为定位信号。
[0077]
具有回收二次谐波的整流电路原理图如图4所示，其中图4的射频输入即图1中的能量接收天线，匹配和滤波电路、整流二极管以及直通滤波器对应图1的整流电路；其中匹配和滤波电路实现输入低通滤波器与整流二极管之间的匹配，同时完成低通滤波功能，匹配电路与滤波器是影响整流效率的重要方面。低通滤波器用于过滤噪声和杂波，在一段射频传输线上，电压与电流的比值称为特性阻抗；在负载的两端，电压和电流的比值等于负载阻抗。当负载阻抗与特性阻抗不同时，传输线上的电压电流与负载上的电压电流不连续，此时，就会产生一部分反射波。当负载阻抗等于特性阻抗时，便不会产生反射，负载吸收全部能量。也就是说当电路不匹配，射频信号没有有效的进入二极管而被反射损失掉，或者造成功率不稳定，因此需要匹配电路来实现最大能量传输。电容c1和c2用于隔离直流信号，电感l用于隔离射频信号。两个二极管实现二倍压整流，整流后的直流信号通过电感l传输到负载。二极管所产生的二次谐波通过电容c2后最终通过二次谐波辐射天线发射。
[0078]
步骤s3，三个射频能量发射端的能量发射装置通过二次谐波接收天线接收来自能量接收端所产生的二次谐波信号；雷达具有一定的抗干扰性，由于三个能量发射端所发射的信号非相参，每个雷达所发射的信号的初始相位一定是不同的，这样在接收到回波信号时，只有其自身的回波是相参的，因此通过匹配滤波后即可区分其自身发射信号所产生的二次谐波。
[0079]
步骤s4，射频能量发射端对所接收到的调频连续波信号进行处理，然后解算出其
位置信息。假设发射频率范围为[f0,f0+b]的调频连续波信号为其中ρ0为二次谐波发射天线所发射信号的振幅，f0为调频连续波信号的起始频率，b为调频连续波信号带宽，ω0＝2πf0，a表示中间参数，a＝2πb/ts。
[0080]
射频能量发射端的二次谐波接收天线所接收的二次谐波信号表达式为sh＝ρ1cos(2ω0(t-τ)+a(t-τ)2)，其中a＝2πb/ts，ρ1表示二次谐波接收天线所接收到的信号的振幅，ts为扫频周期，扫频周期是指调频连续波信号的周期，是在设计发射信号参数时设置好的，是已知参数；t为时间，τ为传输时延。二次谐波不仅存在于能量接收端，能量发射端电路中的信号源在产生线性调频连续波信号时也会产生发射信号的二次谐波，信号源在产生的二次谐波信号表示为sk＝ρ2cos(2ω0t+at2)，因此本发明实施例将能量发射端的二次谐波与所接收到的来自能量接收端的二次谐波进行混频。
[0081]
信号sk与接收的二次谐波信号sh混频后得到：
[0082]
ρ2表示能量发射端的二次谐波信号的振幅；混频通过混频器实现，混频器是一个三端器件，有两个输入端和一个输出端，输出信号等于输入信号的乘积，时域的乘积对应于频域的卷积。其中，cos[(4ω
0-2aτ)t+2at2+(aτ
2-2ω0)t]被滤除，cos[2atτ+(2ω0τ-aτ2)])表示差频信号，差频信号的相位求导后得到其频率，表示为由于τ＝2r/c，其中c表示电磁波的传播速度，因此通过公式即可确定射频能量接收端和射频能量发射端之间的距离r(为距离r1、r2、r3的统称)。调频连续波雷达在扫频周期内发射频率变化的连续波，被物体反射后的回波与发射信号有一定的频率差，通过测量频率差可以获得目标与雷达之间的距离信息。
[0083]
三个射频能量发射端得到与射频能量接收端的距离信息后，通过定位算法求解出射频能量接收端的三维位置坐标。
[0084]
定位算法原理，如图5所示，根据空间坐标系中三个射频能量发射端的位置，可以分别获得射频能量发射端一的坐标为(x1,y1,z1)，射频能量发射端二的坐标为(x2,y2,z2)，射频能量发射端三的坐标为(x3,y3,z3)。假设射频能量接收端的坐标为(x,y,z)，根据所得到的三个射频能量发射端得到与射频能量接收端的距离信息，射频能量发射端一、射频能量发射端二和射频能量发射端三与射频能量接收端的距离分别记为r1,r2,r3，由于三个发射端不在同一平面，因此根据r1,r2,r3可以在以三个射频能量发射端为中心，以r1,r2,r3为半径的圆的交点确定射频能量接收端的所在位置坐标，即通过以下方程组求解出接收端的三维坐标(x,y,z)；
[0085][0086][0087]
[0088]
步骤s5，根据所得到的接收端的位置信息，三个射频能量发射端实时调整波束中心指向射频能量接收端，以使射频能量接收端获得最大的能量，减少能量损失，提高无线能量传输系统的能量传输效率。
[0089]
本发明实施例通过利用整流电路中整流二极管的非线性物理特性，将其产生的二次谐波信号用于能量接收端的定位，并据此设计了一种射频无线能量传输系统。首先，本发明为了利用能量接收端电路所产生的二次谐波信号进行定位，采用三个能量发射端发射线性调频连续波信号。当三个能量发射端的信号到达能量接收端的整流电路后，由于整流电路中的二极管的非线性特性，再将三个来自射频能量发射端的发射信号s1、s2和s3转化为电能的同时会产生相应的二次谐波信号s
r1
、s
r2
和s
r3
。其次，所产生的二次谐波信号是微弱的，虽然仍然会向外辐射，但是在能量接收端可能无法捕获，为了将整流电路中产生的二次谐波信号反馈至三个射频能量发射端，本发明实施例在整流电路中增加了二次谐波辐射天线，使用二次谐波辐射天线将所产生的二次谐波信号辐射出去，以便于射频能量发射端的接收。最后，由于所述三个能量发射端所发射的信号是非相参的，因此三个能量发射端分别接收由于其发射信号的二次谐波信号，然后对该信号进行信号处理后得到能量接收端与其自身的距离r1、r2、r3，通过本发明所提出的定位算法即可解算出能量接收端的三维位置信息。通过所获得的三维位置信息即可调整能量发射端的能量发射天线波束指向能量接收端的接收天线，从而获得最大的能量传输效率。
[0090]
相对于现有技术，本发明将雷达系统和雷达信号处理领域的优势与无线能量传输系统相结合，提出了一种能够远距离、自适应的无线能量传输系统，利用能量接收端的整流二极管本身的特性所产生的二次谐波信号实现了能量发射端和能量接收端天线的对准，不会消耗能量接收端的电能，仅仅使用天线将其辐射出去，也无需在能量接收端增加多余的硬件电路，具有能量传输效率更高，能量损失少和电路简单的优点，且系统更加适合于对低功耗设备进行无线能量传输。
[0091]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种利用二次谐波定位的无线能量传输系统，其特征在于，包括射频能量发射端，所述射频能量发射端的数量至少为三个，且非共面，每个所述射频能量发射端包括能量发射装置，用于将调频连续波信号发射出去；以及二次谐波接收天线，用于接收来自能量接收端的二次谐波信号；以及信号处理模块，用于对所接收到的二次谐波信号进行信号处理，获取能量接收端的位置信息，并将能量接收端的位置信息反馈到能量发射装置，能量发射装置实时调整波束中心对准射频能量接收端；射频能量接收端，所述射频能量接收端包括能量接收整流天线，用于接收来自能量发射端的调频连续波信号的能量并转化为电能，在此过程中通过非线性器件产生二次谐波；以及二次谐波辐射天线，用于将能量接收整流天线产生的二次谐波辐射出去。2.根据权利要求1所述一种利用二次谐波定位的无线能量传输系统，其特征在于，所述射频能量发射端还包括信号源，用于产生原始调频连续波信号，实现电能到射频能量的转化；功率放大器，用于将所产生的信号的功率进行放大，发送至能量发射装置。3.根据权利要求1所述一种利用二次谐波定位的无线能量传输系统，其特征在于，所述能量接收整流天线包括能量接收天线，用于接收能量发射装置发射的调频连续波信号；整流电路，用于将射频能量转化为电能，同时将所产生的二次谐波信号通过二次谐波辐射天线向外辐射。4.根据权利要求1所述一种利用二次谐波定位的无线能量传输系统，其特征在于，三个所述射频能量发射端发射的调频连续波信号分别记为s1、s2和s3，信号s1、s2和s3分别经过射频能量接收端所产生的二次谐波信号分别记为s
r1
、s
r2
和s
r3
，基于三组不同位置的射频能量发射端对应的二次谐波信号，解算出对应射频能量发射端与射频能量接收端的距离，记为r1、r2、r3，获取以三个射频能量发射端为中心、以r1、r2、r3为半径的三个圆的交点，即射频能量接收端的所在位置。5.根据权利要求4所述一种利用二次谐波定位的无线能量传输系统，其特征在于，所述射频能量发射端与射频能量接收端的距离r根据以下公式确定：其中，c表示电磁波的传播速度，t
s
为扫频周期，即调频连续波信号的周期；b为调频连续波信号带宽，f
b
表示差频信号的频率，τ为传输时延。6.根据权利要求1所述一种利用二次谐波定位的无线能量传输系统，其特征在于，所述三个射频能量发射端发射的调频连续波信号非相参。7.一种利用二次谐波定位的无线能量传输方法，其特征在于，采用如权利要求1所述一种利用二次谐波定位的无线能量传输系统，具体按照以下步骤进行：步骤s1，至少三个射频能量发射端的能量发射装置将非相参的调频连续波信号发射出去，所发射的调频连续波信号在空间中传播，被射频能量接收端的能量接收整流天线接收
并转化为电能；步骤s2，能量接收整流天线在接收调频连续波信号的过程中，非线性器件产生二次谐波，通过二次谐波辐射天线辐射出去；步骤s3，射频能量发射端的二次谐波接收天线接收来自能量接收端的二次谐波信号；步骤s4，射频能量发射端通过信号处理模块对所接收到的二次谐波信号进行处理，获取能量接收端的位置信息；步骤s5，信号处理模将能量接收端的位置信息反馈到能量发射装置，能量发射装置实时调整波束中心对准射频能量接收端。8.根据权利要求7所述一种利用二次谐波定位的无线能量传输方法，其特征在于，所述步骤s2、s3中，射频能量接收端的二次谐波辐射天线所发射的二次谐波信号s0表示为：其中ρ0为二次谐波辐射天线所发射信号的振幅，ω0表示输入信号频率，ω0＝2πf0，a表示中间参数，a＝2πb/t
s
，t
s
为扫频周期，扫频周期是指调频连续波信号的周期；t为时间；射频能量发射端的二次谐波接收天线所接收的二次谐波信号s
h
表示为：s
h
＝ρ1cos(2ω0(t-τ)+a(t-τ)2)，其中ρ1表示二次谐波接收天线所接收到的信号的振幅，τ为传输时延；能量发射端的电路产生发射信号的二次谐波信号s
k
表示为：s
k
＝ρ2cos(2ω0t+at2)，其中，ρ2表示能量发射端的电路产生的二次谐波信号的振幅；信号s
k
与s
h
混频后得到：其中，第一项cos[(4ω
0-2aτ)t+2at2+(aτ
2-2ω0)t]被滤除，第二项cos[2atτ+(2ω0τ-aτ2)])表示差频信号，差频信号的相位求导后得到其频率，表示为由于τ＝2r/c，其中c表示电磁波的传播速度，因此通过公式即可确定射频能量接收端和射频能量发射端之间的距离r。9.根据权利要求8所述一种利用二次谐波定位的无线能量传输方法，其特征在于，所述步骤s4中，根据空间坐标系中三个射频能量发射端的位置，分别获得射频能量发射端一的坐标为(x1,y1,z1)，射频能量发射端二的坐标为(x2,y2,z2)，射频能量发射端三的坐标为(x3,y3,z3)；假设射频能量接收端的坐标为(x,y,z)，射频能量发射端一、射频能量发射端二和射频能量发射端三分别与射频能量接收端的距离分别记为r1、r2、r3，由于三个射频能量发射端不在同一平面，以三个射频能量发射端为中心、以r1、r2、r3为半径的三个圆的交点即射频能量接收端的所在位置坐标。10.根据权利要求9所述一种利用二次谐波定位的无线能量传输方法，其特征在于，所述射频能量接收端的坐标为(x,y,z)通过以下方程组求解：述射频能量接收端的坐标为(x,y,z)通过以下方程组求解：

技术总结
本发明公开了一种利用二次谐波定位的无线能量传输系统及方法，传输系统，包括射频能量发射端和射频能量接收端，射频能量发射端的数量至少为三个，每个所述射频能量发射端包括能量发射装置、二次谐波接收天线、信号处理模块，射频能量接收端包括能量接收整流天线、二次谐波辐射天线，能量接收整流天线用于接收来自能量发射端的调频连续波信号的能量并转化为电能，在此过程中通过非线性器件产生二次谐波；二次谐波辐射天线用于将能量接收整流天线产生的二次谐波辐射出去。本发明不仅能够提高无线能量传输的距离，还能在不消耗能量接收端电能的情况下实现射频能量发射端天线和能量接收端天线的对准，进而提高射频无线能量传输系统的传输效率。系统的传输效率。系统的传输效率。


技术研发人员：杨涛 许庆波 孟凡腾
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2022.03.11
技术公布日：2022/5/25