СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ МОЩНОСТИ ДЛЯ СРЕДЫ С МНОГОЛУЧЕВЫМ РАСПРОСТРАНЕНИЕМ Российский патент 2018 года по МПК H02J50/23 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам для беспроводной передачи мощности (энергии) в среде с многолучевым распространением, и более конкретно, к беспроводной зарядной системе для зарядки аккумуляторов портативных электронных устройств в среде с многолучевым распространением.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Количество используемых портативных электронных устройств в последнее время возросло.

Большинство современных электронных устройств требует электропроводки и/или явно определенных электрических контактов, чтобы получать питание от внешнего источника питания. Однако это является непрактичным и требует, чтобы пользователь физически вставлял соединители или иным образом устанавливал физический электрический контакт между устройствами и источниками питания. Типично, требования по питанию также различаются значительно, и в настоящее время большинство устройств обеспечиваются своим собственным специализированным источником питания. В результате, пользователь обычно имеет большое количество различных источников питания, предназначенных для конкретных устройств.

Многие портативные электронные устройства получают питание с помощью аккумуляторов. Частое использование этих устройств может требовать значительной величины мощности, что может привести к истощению заряда аккумуляторов. Хотя использование внутренних аккумуляторов может исключить потребность в проводном соединении с источником питания во время использования, это обеспечивает только частичное решение, так как аккумуляторам требуется подзарядка (или замена, которая является дорогостоящей).

Для того чтобы обеспечить значительное улучшение пользовательского опыта, было предложено использовать систему беспроводной передачи мощности для зарядки аккумулятора приемника, в котором мощность передается от передатчика к приемнику посредством электромагнитного излучения, например, посредством микроволнового (сверхвысокочастотного) излучения.

Микроволновая передача мощности представляет собой хорошо известный принцип. Такая конфигурация обеспечивает возможность беспроводной передачи мощности к устройству, не требуя создания каких-либо проводов или физических электрических соединений.

Большинство существующих систем беспроводной передачи мощности на большие расстояния (LWPT, long-distance wireless power transmission) разработаны для функционирования при существовании линии прямой видимости между приемником и передатчиком. При появлении какого-либо препятствия между передатчиком и приемником эффективность передачи мощности существенно снижается, а в некоторых случаях осуществление передачи мощности становится невозможным.

Большинство существующих решений не способны осуществлять одновременную передачу мощности от передатчика к нескольким приемникам с высокой эффективностью.

Кроме того, некоторые существующие решения используют адаптивную регулировку фазы элементов антенной решетки передатчика, но не учитывают деполяризацию излучения (т.е. изменение поляризации излучения при отражении) передатчика в среде с многолучевым распространением с препятствиями. Вследствие этого снижается эффективность беспроводной передачи мощности. Т.к. приемник может иметь произвольное положение и ориентацию в пространстве и может быть настроен на прием излучения с определенной поляризацией, то в некоторых случаях зарядка такого приемника может быть невозможной вследствие деполяризации излучения передатчика, поступающего на приемник.

Соответствующее предшествующему уровню техники решение, описанное в документе US 2016/099614 A1, раскрывает передатчик, который передает сигнал передачи мощности (например, волны микроволнового сигнала), чтобы создать трехмерную зону («карман») энергии. По меньшей мере один приемник может быть соединен с или встроен в электронные устройства и может принимать питание из упомянутой зоны энергии. Передатчик может определять местоположение по меньшей мере одного приемника в трехмерном пространстве с использованием среды связи (например, технологии Bluetooth). Передатчик генерирует форму волны (сигнал), чтобы создать зону энергии вокруг каждого из по меньшей мере одного приемника. Передатчик использует алгоритм, чтобы направлять, фокусировать и управлять формой волны по трем измерениям. Приемник может преобразовывать переданные сигналы (например, микроволновые сигналы) в электричество для питания электронного устройства. Соответственно, варианты осуществления для беспроводной передачи мощности могут обеспечивать возможность питания и зарядки множества электрических устройств без использования проводов. Однако, зарядка множества приемников требует разделения передающей антенны на несколько решеток, что приводит к низкой эффективности передачи мощности. Т.е. данное решение не позволяет осуществлять одновременную зарядку нескольких приемников с использованием одной передающей антенной решетки без ее разделения. Кроме того, данное решение не раскрывает адаптацию поляризации излучения.

Дополнительно, документ WO 2017066629 A1 раскрывает систему LWPT для многолучевой зарядки приемника на основании определения фазы. Данная система позволяет осуществлять беспроводную зарядку устройств в среде беспроводной передачи мощности посредством фокусировки сигнала по множеству лучей (путей) в многолучевой среде беспроводной передачи мощности. Однако, упомянутая система обладает довольно сложной структурой передатчика. Также данное решение не позволяет осуществлять одновременную зарядку нескольких приемников с использованием одной передающей антенной решетки без ее разделения. Кроме того, данное решение не раскрывает адаптацию поляризации излучения.

Таким образом, в решениях согласно предшествующему уровню техники имеется ряд проблем, требующих решения:

1. Требуется обеспечивать беспроводную передачу мощности даже при наличии препятствия между передатчиком и приемником.

2. Требуется учитывать положение и ориентацию приемника для адаптации поляризации излучения передатчика, поступающего на приемник.

3. Требуется учитывать деполяризацию излучения передатчика в многолучевой среде распространения.

4. Передатчик должен иметь возможность обеспечивать беспроводную передачу мощности для нескольких приемников одновременно.

5. Передатчик должен иметь возможность адаптивно управлять поляризацией каждого элемента антенной решетки.

6. Все элементы антенной решетки должны регулироваться совместно для обеспечения фокусировки излучения на каждом из приемников.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из приведенных выше проблем.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен способ беспроводной передачи мощности, посредством системы беспроводной передачи мощности, включающей в себя передатчик мощности и по меньшей мере один приемник мощности, причем антенная решетка передатчика состоит из M элементов антенной решетки, каждый из которых имеет два независимых поляризационных канала (канала поляризации). Иными словами, каждый элемент антенной решетки подключен к двум независимым поляризационным каналам. Упомянутый способ содержит этапы, на которых:

- подают питание на опорный элемент антенной решетки передатчика, причем на оба поляризационных канала опорного элемента подают одинаковую мощность, в то время как остальные элементы антенной решетки передатчика отключены;

- регулируют фазы поляризационных каналов опорного элемента для поиска оптимальных значений фаз поляризационных каналов, при которых мощность, принимаемая приемником, является максимальной, причем информация о мощности, принимаемой приемником, передается в передатчик по каналу обратной связи;

- сохраняют информацию об оптимальных фазах поляризационных каналов опорного элемента в запоминающем устройстве передатчика и осуществляют функционирование опорного элемента с упомянутыми оптимальными фазами поляризационных каналов;

- совместно с опорным элементом дополнительно включают другой элемент антенной решетки передатчика и регулируют фазы поляризационных каналов упомянутого другого элемента для поиска оптимальных значений фаз поляризационных каналов, при которых мощность, принимаемая приемником, является максимальной, после чего упомянутый другой элемент антенной решетки отключают, причем данную процедуру регулировки поляризационных каналов другого элемента совместно с опорным элементом последовательно осуществляют для всех оставшихся элементов антенной решетки;

причем в случае наличия более чем одного приемника, процедуру регулировки поляризационных каналов элементов антенной решетки передатчика осуществляют для всех приемников;

- осуществляют беспроводную передачу мощности посредством задания комплексной амплитуды (A_i) поляризационных каналов каждого элемента антенной решетки передатчика в соответствии с уравнением:

,

где - оптимальная фаза первого или второго поляризационного канала i-го элемента для k-го приемника, причем 1≤i≤M, N_RX - количество приемников, на которые следует передавать мощность, j - мнимая единица.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложена система для беспроводной передачи мощности, выполненная с возможностью осуществления описанного выше способа беспроводной передачи мощности, причем система включает в себя передатчик мощности и по меньшей мере один приемник мощности, причем антенная решетка передатчика состоит из M элементов антенной решетки, каждый из которых имеет два независимых поляризационных канала.

Ключевые аспекты настоящего изобретения заключаются в следующем:

1. Система беспроводной передачи мощности обладает поляризационным «разнообразием»:

- каждый элемент антенной решетки передатчика имеет два независимых поляризационных канала, в то время как приемник может иметь очень простую структуру только с одним поляризационным каналом;

- фазой каждого поляризационного канала элемента антенной решетки передатчика можно управлять независимо.

2. Система беспроводной передачи мощности позволяет осуществлять регулировку поляризационных каналов и многопользовательскую зарядку:

- элементы антенной решетки передатчика регулируются по отдельности для достижения максимальной мощности, поступающей в каждый приемник;

- после упомянутой регулировки все приемники заряжаются одновременно с использованием всей антенной решетки передатчика.

Таким образом, система для беспроводной передачи мощности в соответствии с настоящим изобретением позволяет осуществлять высокоэффективную передачу мощности на несколько приемников одновременно в среде с многолучевым распространением даже при наличии препятствия между передатчиком и приемниками.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Дальнейшие детали и преимущества изобретения описаны ниже со ссылками на приложенные чертежи.

Фиг. 1 изображает примерный вариант осуществления антенной решетки передатчика с вынесенным изображением одного элемента антенной решетки.

Фиг. 2 изображает примерные варианты схемы антенны приемника с одним поляризационным каналом (А) и с двумя поляризационными каналами (В).

Фиг. 3 изображает еще один примерный вариант осуществления антенной решетки передатчика с вынесенным изображением одного элемента антенной решетки.

Фиг. 4-7 изображают примерные сценарии использования настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления изобретения не ограничены теми, которые описаны ниже. Другие варианты осуществления изобретения, не отклоняющиеся от сущности и объема изобретения, будут очевидны специалистам в данной области техники, исходя из информации, содержащейся в описании, и знаний предшествующего уровня техники.

Вариант осуществления 1.

Система беспроводной передачи мощности содержит передатчик мощности и по меньшей мере один приемник мощности.

Передатчик мощности содержит двухполяризационную антенную решетку, состоящую из M элементов антенной решетки.

На фиг. 1 изображен примерный вариант осуществления антенной решетки 101 передатчика с вынесенным изображением одного элемента 102 антенной решетки.

В примерном варианте осуществления элемент 102 антенной решетки представляет собой полосковый излучающий элемент (патч-элемент). Альтернативно в качестве элемента антенной решетки могут использоваться симметричные и несимметричные вибраторы, волноводные щели, другие печатные излучатели и т.п.

Каждый элемент 102 антенной решетки передатчика имеет две точки 103 возбуждения и подключенные к ним соответственно два независимых поляризационных канала, включающих в себя каналы горизонтальной (H-канал, horizontal channel) и вертикальной (V-канал, vertical channel) линейной поляризации. Каждый поляризационный канал содержит фазовращатель 104 и управляемый усилитель 105 мощности (как изображено на фиг. 1) или усилитель с постоянным коэффициентом усиления с управляемым аттенюатором.

Под термином «поляризационный канал» подразумевается набор радиотехнических устройств, образующих единую систему для формирования и управления сигналом, который подается на один из двух входов элемента антенной решетки для излучения электромагнитных волн (например, микроволновых) с соответствующей поляризацией.

Приемник (RX) в данном варианте осуществления содержит антенну 201 с одним поляризационным каналом (см. фиг.2А), подключенную непосредственно к выпрямителю микроволнового сигнала. Выпрямитель преобразует микроволновый сигнал, принимаемый антенной, в сигнал постоянного напряжения, подаваемый на аккумулятор RX для осуществления зарядки. Комбинация антенны и выпрямителя образует так называемую ректенну. В качестве примера данная антенна имеет канал с круговой поляризацией. В данном примере в качестве антенны используется прямоугольная патч-антенна с круговой поляризацией, однако могут использоваться и любые другие подходящие типы антенн.

В настоящем варианте осуществления передатчик может настраивать поляризацию каждого элемента наилучшим образом, чтобы поляризация излучения, поступающего в приемник, совпадала с поляризацией антенны приемника. Также в данном варианте осуществления приемнику требуется только один поляризационный канал, т.е. не требуются дополнительные электронные схемы, такие как фазовращатели, детекторы фазы, генераторы пилотных сигналов, сумматоры мощности и т.д. Таким образом, антенна приемника обладает очень простой структурой и может быть встроена в любое существующее мобильное устройство.

Система беспроводной передачи мощности в соответствии с данным вариантом осуществления работает следующим образом.

Среди элементов антенной решетки передатчика выбирается опорный элемент, после чего оба поляризационных канала данного элемента включаются путем выведения управляемых усилителей каналов на максимальную выходную мощность, в то время как все остальные элементы антенной решетки передатчика выключены (или в зависимости от реализации включены на минимально возможную выходную мощность). Опорный элемент может выбираться случайным образом или по некоторому предварительно заданному алгоритму. В качестве альтернативы опорный элемент может быть задан предварительно. В качестве опорного элемента может использоваться любой элемент антенной решетки.

При этом на оба поляризационных канала опорного элемента подается одинаковая мощность.

Далее с помощью фазовращателей регулируют фазы поляризационных каналов, тем самым изменяя относительную фазу между двумя поляризационными каналами, в поисках таких значений фаз поляризационных каналов, при которых мощность, принимаемая приемником, является максимальной. Мощность, принимаемая приемником, измеряется на выходе ректенны приемника, а информация о выходной мощности ректенны приемника передается в передатчик по каналу обратной связи (например, Bluetooth, Wi-Fi и т.д.). После завершения поиска оптимальные фазы поляризационных каналов опорного элемента, при которых мощность, принимаемая приемником, является максимальной, сохраняются в запоминающем устройстве передатчика и устанавливаются для упомянутых поляризационных каналов опорного элемента.

При поиске оптимальных фаз поляризационных каналов опорного элемента может использоваться как метод перебора, так и метод сопряженных градиентов или любой подходящий метод поиска оптимального решения.

Далее опорный элемент включают с упомянутыми оптимальными фазами поляризационных каналов и дополнительно включают любой другой элемент антенной решетки передатчика, причем сначала включают только один поляризационный канал (например, V-канал) упомянутого другого элемента, в то время как второй поляризационный канал (например, H-канал) остается выключенным. Фазу включенного поляризационного канала (V-канала) упомянутого другого элемента регулируют таким образом, чтобы добиться максимальной выходной мощности на приемнике. После этого включают второй поляризационный канал (H-канал) упомянутого другого элемента и регулируют его фазу, чтобы также добиться максимальной выходной мощности на приемнике. При этом первый поляризационный канал (в данном случае V-канал) остается включенным.

В качестве альтернативы можно осуществлять регулировку фаз обоих поляризационных каналов упомянутого другого элемента одновременно.

В результате все поляризационные каналы опорного элемента и упомянутого другого элемента антенной решетки отрегулированы таким образом, чтобы излучение упомянутых элементов складывалось в местоположении приемника синфазно и с необходимой поляризацией для получения максимальной выходной мощности на приемнике.

Далее упомянутый другой элемент антенной решетки передатчика отключают.

Описанную выше процедуру настройки поляризационных каналов другого элемента совместно с опорным элементом последовательно осуществляют для всех оставшихся элементов антенной решетки.

В результате все поляризационные каналы всех элементов антенной решетки отрегулированы таким образом, чтобы получать максимальную выходную мощность на приемнике.

Все оптимальные фазы всех поляризационных каналов элементов антенной решетки передатчика сохраняют в запоминающем устройстве передатчика.

В случае наличия нескольких приемников описанную выше процедуру настройки антенной решетки передатчика выполняют последовательно и независимо для всех приемников, т.е. система беспроводной передачи мощности осуществляет поиск оптимальных фаз сначала для первого приемника, затем для второго и т.д.

После завершения поиска оптимальных фаз поляризационных каналов всех элементов антенной решетки передатчика для всех приемников, передатчик осуществляет беспроводную передачу мощности посредством задания комплексной амплитуды (A_i) поляризационных каналов каждого элемента антенной решетки в соответствии с уравнением:

,

где - оптимальная фаза V-канала или H-канала i-го элемента для k-го приемника, причем 1≤i≤M, N_RX - количество приемников, на которые следует передавать мощность, j - мнимая единица.

В случае присутствия только одного приемника упомянутое уравнение для комплексной амплитуды поляризационных каналов каждого элемента антенной решетки принимает следующий вид:

.

Комплексная амплитуда всех поляризационных каналов задается с использованием фазовращателей и управляемых усилителей (или аттенюаторов).

Мощность, формируемая на выходе ректенны приемника, направляется на зарядку встроенного аккумулятора приемника.

Стоит отметить, что система беспроводной передачи мощности может использоваться и для беспроводного питания устройств, не имеющих встроенного аккумулятора, например, RFID-метки, датчики и т.д.

Описанная система беспроводной передачи мощности позволяет осуществлять передачу мощности оптимальным образом для произвольно размещенных приемников. Передатчик осуществляет фокусировку излучения в местоположении приемника с адаптацией поляризации в любой среде распространения независимо от наличия/отсутствия линии прямой видимости, наличия/отсутствия препятствий между передатчиком и приемником и т.д. Кроме того, данная система беспроводной передачи мощности позволяет осуществлять передачу мощности для нескольких приемников одновременно с максимальной эффективностью посредством использования всей антенной решетки передатчика без ее разделения, т.к. формируется оптимальное мультифокусное распределение поля передатчика.

Система беспроводной передачи мощности согласно настоящему изобретению также позволяет осуществлять передачу мощности даже при условии перемещения приемников. Передатчик может сделать вывод о перемещении приемника в процессе беспроводной передачи мощности на основании изменения информации о мощности, принимаемой приемником, получаемой по каналам обратной связи. Кроме того, приемник на основании различных встроенных датчиков (акселерометр, GPS, гироскоп, магнитный датчик и т.д.) может сделать вывод о начавшемся перемещении и передать информацию об этом по каналу обратной связи в передатчик. В этом случае передатчик итеративно осуществляет описанную выше процедуру для поиска новых оптимальных значений фаз поляризационных каналов элементов антенной решетки.

В настоящем варианте осуществления для беспроводной передачи мощности используется микроволновое излучение. Однако, альтернативно могут быть использованы любые диапазоны длин волн, для которых возможно осуществить излучение и управляемую фокусировку электромагнитных волн. Например, в качестве альтернативы может быть использовано коротковолновое, субмиллиметровое (терагерцовое) излучение и т.д.

Вариант осуществления 2.

Вариант осуществления 2 настоящего изобретения аналогичен описанному выше варианту осуществления 1 и отличается от него тем, что каждый элемент антенной решетки передатчика имеет два независимых поляризационных канала, включающих в себя каналы правой круговой поляризации (RHCP-канал, right-hand circular polarization channel) и левой круговой поляризации (LCHP-канал, left-hand circular polarization channel). При этом каждый поляризационный канал также содержит фазовращатель и управляемый усилитель мощности или усилитель с постоянным коэффициентом усиления с управляемым аттенюатором.

В данном варианте осуществления приемник содержит ректенну (решетку ректенн) с одним поляризационным каналом с линейной поляризацией.

Процесс настройки антенной решетки передатчика в данном варианте осуществления идентичен описанному выше для варианта осуществления 1.

Комплексную амплитуду (A_i) поляризационных каналов каждого элемента антенной решетки передатчика для осуществления передачи мощности в данном варианте осуществления задают в соответствии с уравнением:

,

где - оптимальная фаза канала правой или левой круговой поляризации i-го элемента для k-го приемника, N_RX - количество приемников, на которые следует передавать мощность, j - мнимая единица.

Вариант осуществления 3.

Вариант осуществления 3 настоящего изобретения аналогичен описанному выше варианту осуществления 1 и отличается от него тем, что антенна 202 (решетка антенн) приемника имеет два поляризационных канала (с линейной или круговой поляризацией), причем оба выходных канала подключены к одной нагрузке постоянного тока (см. фиг. 2В).

Каждый элемент антенной решетки передатчика имеет два независимых поляризационных канала с линейной или круговой поляризацией. При этом каждый поляризационный канал также содержит фазовращатель и управляемый усилитель мощности или усилитель с постоянным коэффициентом усиления с управляемым аттенюатором.

В данном варианте осуществления приемники и передатчик могут иметь любую комбинацию поляризационных каналов: например, если приемник имеет два канала с линейной поляризацией, то передатчик может иметь два канала с линейной или два канала с круговой поляризацией и т.д.

Процесс настройки антенной решетки передатчика в данном варианте осуществления идентичен описанному выше для варианта осуществления 1.

Вариант осуществления 4.

Вариант осуществления 4 настоящего изобретения аналогичен описанному выше варианту осуществления 1.

В качестве альтернативы система беспроводной передачи мощности может осуществлять поиск оптимальных фаз поляризационных каналов элементов антенной решетки передатчика для нескольких приемников не последовательно, а одновременно. Для этого регулируют фазу каждого поляризационного канала элемента антенной решетки передатчика с постоянным шагом Δϕ (например, Δϕ=11,25^o). Таким образом, фаза канала изменяется линейно: 0, Δϕ, 2Δϕ, 3Δϕ, …, 360^o. В то же самое время передатчик принимает данные о выходной мощности ректенн всех приемников по каналам обратной связи.

После завершения регулировки фазы в диапазоне 0…360^o контроллер передатчика выбирает для каждого приемника оптимальные фазы поляризационных каналов элементов антенной решетки передатчика, при которых мощность, принимаемая приемником, максимальна.

Данный вариант осуществления имеет преимущество при наличии большого числа приемников.

Можно оценить время, затрачиваемое системой на выполнение процедуры согласно варианту осуществления 1 (T₀) и согласно варианту осуществления 4 (T₁). Если принять Δt как время, требуемое для одного переключения фазовращателя, N_opt как среднее количество переключений фазовращателя для регулировки фазы для каждого приемника в зависимости от выбранной процедуры оптимизации, то

;

.

Для заданного и N_opt, начиная с некоторого значения N_RX вариант осуществления 4 становится быстрее варианта осуществления 1: T₁<T₀.

Вариант осуществления 5.

Вариант осуществления 5 настоящего изобретения аналогичен описанному выше варианту осуществления 1 и отличается от него упрощенной архитектурой передатчика.

Каждый поляризационный канал элемента 102 антенной решетки 101 передатчика содержит фазовращатель 104 и усилитель 106 с постоянным коэффициентом усиления с возможностью включения/выключения. Аттенюатор в данной архитектуре отсутствует.

В этом случае поиск оптимальных фаз поляризационных каналов выполняется аналогично приведенным выше вариантам осуществления настоящего изобретения. Однако, на этапе беспроводной передачи мощности комплексную амплитуду (A_i) поляризационных каналов каждого элемента антенной решетки задают в соответствии с уравнениями:

где arg - оператор определения фазы комплексного числа, а ||- оператор определения модуля комплексного числа. Таким образом, выходные мощности всех поляризационных каналов оказываются одинаковыми.

Сценарий 1 использования настоящего изобретения.

Сценарий 1 использования настоящего изобретения представляет собой классический случай беспроводной передачи мощности от передатчика к приемнику при наличии линии прямой видимости (см. фиг.4).

Например, приемник имеет ректенну с правой круговой поляризацией (RHCP). В этом случае все элементы антенной решетки передатчика возбуждаются с одинаковой амплитудой и со сдвигом фазы 90⁰ между поляризационными каналами каждого элемента антенной решетки. Таким образом, передатчик генерирует чистую поляризацию RHCP. Затем относительный сдвиг фаз между элементами передатчика находят в соответствии с описанным выше способом, чтобы обеспечить фокусировку на приемнике.

Сценарий 2 использования настоящего изобретения.

Сценарий 2 использования настоящего изобретения представляет собой случай передачи мощности от передатчика к приемнику посредством одного отражения от отражающего препятствия 108 (см. фиг.5).

В данном случае линия прямой видимости между передатчиком и приемником отсутствует и единственным способом для осуществления передачи мощности является отражение от препятствия. Препятствие в данном случае выполнено из материала, диэлектрические и магнитные характеристики которого значительно отличаются от характеристик воздуха.

Допустим, приемник имеет ректенну с правой круговой поляризацией (RHCP). Если передатчик первоначально излучает RHCP посредством всех элементов антенной решетки, поляризация будет изменена на LHCP после отражения от препятствия, и прием мощности посредством приемника невозможен. Используя предлагаемое изобретение, все элементы антенной решетки передатчика переключаются в режим LHCP во время регулировки фазы, то есть относительный сдвиг фазы между поляризационными каналами изменяется с +90⁰ до -90⁰. В этом случае на приемник попадает излучение с RHCP и передача мощности становится возможной благодаря адаптивной регулировке поляризации.

Сценарий 3 использования настоящего изобретения.

Сценарий 3 использования настоящего изобретения представляет собой случай комбинированной передачи мощности посредством как отраженного излучения, так и излучения поступающего по линии прямой видимости между передатчиком и приемником (см. фиг.6).

Когда существует и путь передачи мощности по линии прямой видимости, и путь передачи посредством отражения, настоящее изобретение автоматически регулирует все элементы антенной решетки передатчика таким образом, чтобы излучение складывалось в местоположении приемника синфазно. Это позволяет обеспечить максимальную эффективность передачи мощности.

Сценарий 4 использования настоящего изобретения.

Сценарий 4 использования настоящего изобретения представляет собой случай передачи мощности через проводящее препятствие между передатчиком и приемником (см. фиг.7).

Когда линия прямой видимости между передатчиком и приемником заблокирована проводящим препятствием 109, можно наблюдать дифракцию излучения при передаче на проводящем препятствии. Настоящее изобретение автоматически адаптирует фазы поляризационных каналов всех элементов антенной решетки передатчика, чтобы дифрагированное излучение от всех элементов передатчика складывалось в местоположении приемника синфазно. Это позволяет обеспечить максимальную эффективность передачи мощности.

Сценарий 5 использования настоящего изобретения.

Сценарий 5 использования настоящего изобретения представляет собой случай передачи мощности на несколько приемников одновременно, размещенных произвольно в многолучевой среде распространения. При этом условия передачи мощности на разные приемники могут представлять собой любую комбинацию из перечисленных выше сценариев.

Настоящее изобретение позволяет автоматически формировать оптимальное распределение поля для передачи мощности на несколько приемников одновременно.

Стоит отметить, что перечисленные выше сценарии использования изобретения являются лишь примерными и не предназначены для ограничения настоящего изобретения.

Таким образом, каждый элемент антенной решетки передатчика имеет два независимых поляризационных канала. Это позволяет регулировать фазы поляризационных каналов для обеспечения максимальной мощности, принимаемой приемником, даже при наличии препятствий между передатчиком и приемником. Также настоящее изобретение позволяет осуществлять одновременную передачу мощности на множество приемников.

Передача мощности в соответствии с настоящим изобретением возможна в различных средах распространения даже без линии прямой видимости. Причем можно осуществлять передачу мощности даже для скрытых или спрятанных приемников, приемников за стенами и т.д.

Следовательно, система беспроводной передачи мощности в соответствии с настоящим изобретением позволяет осуществлять высокоэффективную передачу мощности на несколько приемников одновременно в многолучевой среде распространения даже при наличии препятствия между передатчиком и приемниками.

Настоящее изобретение может найти применение в системах LWPT всех типов: наружных/внутренних, автомобильных, мобильных и т.д. При этом обеспечивается высокая эффективность передачи мощности при любых сценариях.

Следует понимать, что описанный подход может также найти применение в других типах систем передачи сигналов от передатчика к приемнику.

Например, данный подход может использоваться в системах мобильной связи нового поколения с поляризационной MIMO технологией. Так, базовая станция может быть оборудована двухполяризационной антенной решеткой согласно настоящему изобретению. Передатчик выполняет адаптацию поляризации своих каналов для достижения максимальной принимаемой радиочастотной мощности в мобильном терминале.

Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления. Специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.

Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

Специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность изобретения не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления изобретения могут быть использованы любые программные и аппаратные средства известные в уровне техники. Так аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютер либо комбинации вышеозначенного.

Очевидно, что когда речь идет о хранении данных, программ и т.п., подразумевается наличие компьютерно-читаемого носителя данных. Примеры компьютерно-читаемых носителей данных включают в себя постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, регистр, кэш-память, полупроводниковые запоминающие устройства, магнитные носители, такие как внутренние жесткие диски и съемные диски, магнитооптические носители и оптические носители, такие как диски CD-ROM и цифровые универсальные диски (DVD), а также любые другие известные в уровне техники носители данных.

Несмотря на то что примерные варианты осуществления были описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.

Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также варианты осуществления, раскрытые в различных частях описания, могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении эффективности беспроводной передачи мощности в среде с многолучевым распространением. Система для беспроводной передачи мощности включает в себя передатчик мощности и по меньшей мере один приемник мощности, причем антенная решетка передатчика состоит из M элементов антенной решетки, каждый из которых имеет два независимых поляризационных канала. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ беспроводной передачи мощности посредством системы беспроводной передачи мощности, включающей в себя передатчик мощности и по меньшей мере один приемник мощности, причем антенная решетка передатчика состоит из M элементов антенной решетки, каждый из которых имеет два независимых поляризационных канала, причем способ содержит этапы, на которых:

- включают на максимальную мощность поляризационные каналы опорного элемента антенной решетки передатчика, в то время как остальные элементы антенной решетки передатчика отключены;

- регулируют фазы поляризационных каналов опорного элемента для поиска оптимальных значений фаз поляризационных каналов, при которых мощность, принимаемая приемником, является максимальной, причем информация о мощности, принимаемой приемником, передается в передатчик по каналу обратной связи;

- сохраняют информацию об оптимальных фазах поляризационных каналов опорного элемента в запоминающем устройстве передатчика и осуществляют функционирование опорного элемента с упомянутыми оптимальными фазами поляризационных каналов;

- совместно с опорным элементом дополнительно включают другой элемент антенной решетки передатчика и регулируют фазы поляризационных каналов упомянутого другого элемента для поиска оптимальных значений фаз поляризационных каналов, при которых мощность, принимаемая приемником, является максимальной, после чего упомянутый другой элемент антенной решетки отключают, причем данную процедуру регулировки поляризационных каналов другого элемента совместно с опорным элементом последовательно осуществляют для всех оставшихся элементов антенной решетки;

причем в случае наличия более чем одного приемника, процедуру регулировки поляризационных каналов элементов антенной решетки передатчика осуществляют для всех приемников;

- осуществляют беспроводную передачу мощности посредством задания комплексной амплитуды (A_i) поляризационных каналов каждого элемента антенной решетки передатчика в соответствии с уравнением:

,

где - оптимальная фаза первого или второго поляризационного канала i-го элемента для k-го приемника, причем 1≤i≤M, N_RX - количество приемников, на которые следует передавать мощность, j - мнимая единица.

2. Способ по п.1, в котором поляризационные каналы элементов антенной решетки передатчика представляют собой каналы горизонтальной и вертикальной линейной поляризации.

3. Способ по п.1, в котором поляризационные каналы элементов антенной решетки передатчика представляют собой каналы правой и левой круговой поляризации.

4. Способ по п.1, в котором опорный элемент антенной решетки передатчика предварительно задан.

5. Способ по п.1, в котором опорный элемент антенной решетки передатчика предварительно выбирается случайным образом.

6. Способ по п.1, в котором процедуру регулировки поляризационных каналов элементов антенной решетки передатчика для нескольких приемников осуществляют последовательно для каждого приемника.

7. Способ по п.1, в котором процедуру регулировки поляризационных каналов элементов антенной решетки передатчика для нескольких приемников осуществляют одновременно.

8. Способ по п.1, в котором мощность, принимаемая приемником, направляется на зарядку аккумулятора приемника.

9. Способ по п.1, в котором на этапе регулировки фаз поляризационных каналов упомянутого другого элемента антенной решетки передатчика сначала включают только один поляризационный канал упомянутого другого элемента, в то время как второй поляризационный канал остается выключенным, и регулируют фазу включенного поляризационного канала упомянутого другого элемента для поиска оптимального значения фазы, при котором мощность, принимаемая приемником, является максимальной, после чего включают второй поляризационный канал упомянутого другого элемента и также регулируют его фазу для поиска оптимального значения фазы, при котором мощность, принимаемая приемником, является максимальной.

10. Способ по п.1, в котором для поиска оптимальных фаз поляризационных каналов элементов антенной решетки используется метод перебора.

11. Способ по п.1, в котором для поиска оптимальных фаз поляризационных каналов элементов антенной решетки используется метод сопряженных градиентов.

12. Система беспроводной передачи мощности, выполненная с возможностью осуществления способа беспроводной передачи мощности по любому из пп. 1-11, причем система включает в себя передатчик мощности и по меньшей мере один приемник мощности, причем антенная решетка передатчика состоит из M элементов антенной решетки, каждый из которых имеет два независимых поляризационных канала.

13. Система по п.12, в которой приемник содержит антенну с одним поляризационным каналом, подключенную к выпрямителю, совместно образующие ректенну.

14. Система по п. 12, в которой приемник содержит антенну с двумя поляризационными каналами, каждый из которых подключен к своему выпрямителю, в то время как выходы выпрямителей объединены на общей нагрузке постоянного тока.

15. Система по п. 12, в которой каждый поляризационный канал элемента антенной решетки передатчика содержит фазовращатель и управляемый усилитель мощности.

16. Система по п. 12, в которой каждый поляризационный канал элемента антенной решетки передатчика содержит фазовращатель и усилитель с постоянным коэффициентом усиления с управляемым аттенюатором.

17. Система по п. 12, в которой каждый поляризационный канал передатчика содержит фазовращатель и усилитель с постоянным коэффициентом усиления, причем комплексная амплитуда (A_i) поляризационных каналов каждого элемента антенной решетки задается в соответствии с уравнениями:

_,

где arg - оператор определения фазы комплексного числа, а ||- оператор определения модуля комплексного числа.