[发明专利]一种稀疏化无线输能TRM设计方法和结构

说明书

本发明公开了一种稀疏化无线输能时间反演镜设计方法和结构，属于电磁波无线能量传输技术领域。本发明所述方法包括以下步骤：设置离散化的受能区域以及由基本单元组成的密集单元TRM，确定输能指标；基于密集单元TRM的信道参数，确定最优的有源单元位置、数目以及增益补偿因子，满足旁瓣阈值指标；根据选定有源单元的特性，设计出稀疏化的有源单元TRM，满足效率阈值指标。利用本发明所述方法得到的稀疏化TRM的结构特征为：有源单元的口径大小为基本单元的整数倍，可以方便地通过基本单元组阵来实现。本发明可以解决无线输能TRM有源单元数目过多，馈电复杂，系统成本高的难题，在满足预期的输能指标的同时，实现多种环境中TRM的稀疏设计。

技术领域

本发明属于电磁波无线能量传输技术领域，具体涉及一种稀疏化无线输能时间反演镜(Time Reversal Mirror，TRM)设计方法和结构。

背景技术

无线输能(Wireless Power Transfer，WPT)是指将能量以无线的方式从电源端传输到负载端。相比于传统的有线能量传输方式，WPT无需输电线缆，便捷好、灵活性强，应用需求迫切，前景十分广阔。针对WPT的研究也备受科学界和产业界的关注。目前的存在的WPT技术有磁感应技术，磁耦合谐振技术，微波无线输能技术等。针对各种技术的特点，现已在各种适用场景中逐步得到应用。

其中，结合了时间反演(Time Reversal，TR)技术和微波无线输能技术的时间反演无线输能(Time Reversal Wireless Power Transfer，TR-WPT)技术具有：1)中远距离能量传输能力；2)较高的输能安全性；3)复杂环境下可以非视距输能；4)多目标并行输能等的优势。这些优势使得TR-WPT适用于中远距离安全高效的多用户输能场景，并成为最具有应用前景的WPT技术之一。

TRM是实现TR-WPT系统的关键部件，决定了无线输能性能的优劣。为了实现高效精准的无线输能，通常要求TRM具备大量的有源单元。一般来说，每个有源单元包含天线和有源馈电支路，其中有源馈电支路包含放大器、移相器等。大量的有源支路会增加的馈电复杂度以及成本，降低整个系统的便捷性。因此如何在满足指定的输能指标(旁瓣阈值以及效率阈值)的同时，设计稀疏化有源单元的TRM是时间反演无线输能系统的一个研究挑战。

稀疏化TRM的设计即为稀疏化有源单元的设计，属于天线阵列稀疏以及天线设计领域。文献“Design of unequally spaced arrays for performance improvement”指出，可以将稀疏阵列分为有阵元间距、阵列孔径等约束的稀布阵以及均匀栅格上的非均匀稀疏阵。针对有阵元数约束、最小阵元间距约束的稀布阵列设计难题，文献“平面稀布天线阵列的优化算法”，以降低稀布阵的旁瓣电平为目标，提出一种改进的实数遗传算法，在指定的约束条件下有效地稀疏了阵元，并获得了较好的旁瓣性能。然而该方法主要针对自由空间辐射远场分布进行优化，无法适用于近场或者散射环境下的场分布设计。同时，阵元位置的非均匀性使得问题的求解变得非常复杂。

通常为了规避布阵问题的高度非线性，可以将稀疏阵列置于均匀栅格，此时阵元间距为基本量的整数倍，这就避免了非线性单元间距的产生。文献“运用遗传算法综合稀疏阵列”，以单元间距和单元激励作为优化变量，运用遗传算法从规则栅格中挑选稀疏阵元，综合出了低副瓣的稀疏阵列。但是，直接稀疏化阵列单元意味着增益的降低，这对要求一定传输效率的无线输能来说不太适用。

综上，目前的阵列稀疏技术，在直接用于无线输能TRM的设计时存在一些缺陷。具体表现为：首先，优化目标仅限于线阵或者面阵的远场分布，无法适用于近场或者散射环境等复杂输能场景中的场分布设计；其次，稀疏阵列一般只考虑旁瓣抑制程度，而并不关心增益的降低，因而无法满足指定的输能效率要求；最后，该技术通常采用固定结构单元作为稀疏前后的基本单元，这限制了稀疏阵列在结构上的灵活性。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种稀疏化无线输能TRM设计方法和结构。