[发明专利]一种基于最大无线能量传输效率快速设计天线阵列的方法

说明书

本发明公开了一种基于最大无线能量传输效率快速设计天线阵列的方法，发射天线阵列和接收天线阵列之间通过电磁辐射方式进行无线能量传输，根据散射矩阵对两个天线阵列口径之间的无线能量传输效率进行计算，得到最大能量传输效率，并根据最大能量传输效率得到激励系数。本发明只需要单独求解发射和接收天线阵列的全电磁波问题，估算出有限阵列中每个单元的增益方向图，即可求得最大能量传输效率及对应天线阵列激励系数。通过这种方法可以显著减少计算的复杂度，极大的缩短计算时间。

技术领域

本发明属于无线能量传输技术，特别涉及一种基于最大无线能量传输效率快速设计天线阵列的方法。

背景技术

无线能量传输系统的设计工作是一个复杂的过程，从上个世纪至今一直受到大量关注。我们假设基于辐射机制进行远距离无线能量传输，则这种系统常由直流功率源，直流-射频转换级，发射天线，接收天线，以及射频-直流转换级组成。

无线能量传输系统的主要性能指标是系统效率，其定义为负载端接收总功率与发射端输入总功率之比。由于设计直流-射频转换级(由固态器件或磁控管构成)和射频-直流转换级(由晶体管或二极管)采用非线性器件，所以系统效率是功率的非线性函数。此外，无线能量传输系统设计是一个多学科任务，涉及到全电磁波和电路仿真等。特别当我们对系统总效率进行优化时，这些因素将使设计过程非常复杂并且耗费时间。

无线能量传输系统设计的难点之一是无线链路的仿真，即发射和接收天线设计以及发射和接收天线之间空气信道评估和传输效率仿真。对于远场而言，著名的Friis公式能够描述各种影响因素，并且能够根据文献“G.Oliveri,L.Poli,and A.Massa,“Maximumefficiency beam synthesis of radiating planar arrays for wireless powertransmission,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.61,no.5,pp.2490-2499,May 2013”中描述方法对口径激励系数进行优化。

文献“A.F.Kay,“Near-field gain of aperture antennas,”IRETrans.Antennas Propag.,vol.AP-8,pp.586-593Nov.1960”和“G.V.Borgiotti,“Maximumpower transfer between two planar apertures in the Fresnel Zone,”IRETrans.Antennas Propag.,vol.AP-14,no.8,pp-158-163,Mar.1966”对菲涅尔区域内两个给定发射和接收口径的最高能量传输效率进行了理论估计。但是其中的公式只适合于连续口径的情况。因为效率优化需要对口径分布进行最优设计，并且这通常由天线阵列口径来实现，因此这两个文献中获得的结果可以认为是效率上限值。

文献“W.Geyi,“Foundations of applied electrodynamics”.New York,NY,USA:Wiley,2010(pp.273-275).”和“L.Shan and W.Geyi,“Optimal design of focusedantenna arrays,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.62,no.11,pp.5565-5571,Nov.2014.”提供了一种评估天线阵列之间无线能量传输效率的方法，这个方法能够考虑到天线单元之间的互耦效应。但是这种方法需要通过全电磁波仿真来计算由两个相隔一定距离的天线阵列构成的完整无线能量传输系统，这是一个非常庞大的电力系统，因此计算量非常大。虽然已经有一些全电磁波仿真环境能够提供先进的混合有限元法-积分方程解来更快求解这类问题，比如HFSS，但是需要对传输和接收天线阵列进行优化，计算量仍然较大。

发明内容