發(fā)明公開一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)，屬于電通信。

背景技術(shù)：

1、微波信能同傳技術(shù)是一種借助電磁波同時傳輸信息與能量的技術(shù)，是無線信息與無線能量傳輸?shù)慕Y(jié)合。隨著科技的發(fā)展，利用微波信能同傳技術(shù)，有望在進(jìn)行信息交互的同時傳輸能量，避免傳輸過程中設(shè)備失效，在有效提高設(shè)備使用時間的同時，解決信息傳輸時各設(shè)備終端有線供電裝置的體積與成本問題。

2、傳統(tǒng)微波信能同傳技術(shù)主要可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)，一是信息的傳遞和能量的傳輸采用相互獨(dú)立的通道分別實(shí)現(xiàn)，傳輸信息的通道對信息進(jìn)行加載、發(fā)射與接收，傳輸能量的通道對能量進(jìn)行放大、發(fā)射與接收；二是信息的發(fā)射/接收與能量的發(fā)射/接收采用相互獨(dú)立的通道分別實(shí)現(xiàn)，如雙頻點(diǎn)天線的方式，而信息的加載與能量的放大共用同一通道。雖然第一種方式可以獨(dú)立控制信息和能量的傳輸，但是其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳輸干擾較大且實(shí)現(xiàn)成本較高。第二種方式天線設(shè)計(jì)難度較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，收發(fā)隔離條件不易滿足。微波傳能系統(tǒng)效率既會受傳輸功率的影響，同時也與接收端的負(fù)載有關(guān)。目前，關(guān)于微波傳能系統(tǒng)效率提升的研究中，主要從傳輸功率或接收端負(fù)載的單方面考慮。從接收端負(fù)載角度提升系統(tǒng)效率，雖然可以通過最大功率點(diǎn)跟蹤模塊保證整流電路始終工作在最佳負(fù)載狀態(tài)，但未能解決系統(tǒng)級效率尋優(yōu)的問題；從傳輸功率角度提升系統(tǒng)效率，雖然通過幅值調(diào)制來實(shí)現(xiàn)微波傳能系統(tǒng)的系統(tǒng)級效率尋優(yōu)，同時可以通過省略接收端微波整流電路和負(fù)載之間的多級變換器，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，進(jìn)而提升系統(tǒng)級效率，但并未考慮接收端負(fù)載對效率的影響，存在系統(tǒng)級效率優(yōu)化不徹底的缺陷。

3、綜上，本發(fā)明旨在提出一種微波信能同傳系統(tǒng)，并同時考慮傳輸功率和負(fù)載的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)，以克服上述缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對上述背景技術(shù)的不足，提出一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)。通過在微波無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端中分別部署頻率調(diào)制模塊和頻率解調(diào)模塊，實(shí)現(xiàn)信息的加載與解析；通過在接收端負(fù)載之前部署最大功率點(diǎn)跟蹤模塊，實(shí)現(xiàn)整流電路的高效運(yùn)行；通過在功率放大器供電端部署幅值調(diào)制變換器，在最優(yōu)負(fù)載下進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)效率，解決現(xiàn)有微波信能同傳系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜與系統(tǒng)效率尋優(yōu)不徹底的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)信息傳遞與能量傳輸相互融合又可兼顧傳能系統(tǒng)效率提升的發(fā)明目的。

2、本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)，包括：微波信號源、直流電源、頻率調(diào)制器、功率放大器、幅值調(diào)制變換器、發(fā)射天線、接收天線、定向耦合器、頻率解調(diào)器、整流電路、最大功率點(diǎn)跟蹤模塊以及控制單元；微波信號源，用于產(chǎn)生微波信號；直流電源，用于產(chǎn)生直流功率；頻率調(diào)制器，用于在微波信號中加載信息；功率放大器，對通過頻率調(diào)制器加載信息后的微波信號進(jìn)行功率放大，輸出微波功率信號；幅值調(diào)制變換器，用于接收幅值調(diào)制變換器控制信號，在直流電源的激勵下向功率放大器提供幅值可調(diào)的供電電壓；發(fā)射天線，用于發(fā)射功率放大器輸出的微波功率信號；接收天線，用于對空間中輻射的微波功率信號進(jìn)行接收；定向耦合器，用于將接收的微波功率信號按照比例分別耦合傳遞至頻率解調(diào)器與整流電路；頻率解調(diào)器，用于對接收的微波功率信號進(jìn)行信息解調(diào)；整流電路，用于將接收的微波功率信號轉(zhuǎn)換為電功率；最大功率點(diǎn)跟蹤模塊，用于在保證整流電路負(fù)載變化時整流電路均工作在最大功率點(diǎn)的前提下，將整流電路輸出電功率供給負(fù)載；控制單元，用于在保證系統(tǒng)級效率最大化的前提下，根據(jù)幅值調(diào)制變換器的輸入電壓和輸入電流以及負(fù)載電壓和負(fù)載電流，產(chǎn)生幅值調(diào)制變換器控制信號。

4、作為一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化方案，頻率調(diào)制器通過高斯頻移鍵控調(diào)制方式在微波信號中加載信息。

5、作為一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)的再進(jìn)一步優(yōu)化方案，高斯頻移鍵控調(diào)制方式，首先對微波信號進(jìn)行高斯濾波處理，對經(jīng)高斯濾波處理后的微波信號進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制，頻移鍵控調(diào)制可以通過直接調(diào)制或正交調(diào)制兩種調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)。

6、作為一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)的再進(jìn)一步優(yōu)化方案，頻率解調(diào)器通過高斯頻移鍵控解調(diào)方式對接收的微波功率信號進(jìn)行信息解調(diào)。

7、作為一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)的再進(jìn)一步優(yōu)化方案，高斯頻移鍵控解調(diào)可以通過相干解調(diào)或非相干解調(diào)兩種解調(diào)方式實(shí)現(xiàn)。

8、作為一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)的再進(jìn)一步優(yōu)化方案，最大功率點(diǎn)跟蹤模塊包括boost電路及其控制單元，boost電路控制單元，通過mppt算法根據(jù)整流電路輸出電壓和輸出電流計(jì)算整流電路輸出電壓參考值，對整流電路輸出電壓采樣值和參考值的誤差進(jìn)行放大和pwm觸發(fā)后，獲取boost電路主開關(guān)管的驅(qū)動信號。

9、作為一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)的再進(jìn)一步優(yōu)化方案，幅值調(diào)制變換器為buck電路。

10、作為一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)的再進(jìn)一步優(yōu)化方案，控制單元，通過最大效率點(diǎn)跟蹤算法根據(jù)幅值調(diào)制變換器的輸入電壓和輸入電流以及負(fù)載電壓和負(fù)載電流計(jì)算幅值調(diào)制變換器輸出電壓參考值，對幅值調(diào)制變換器輸出電壓采樣值和參考值的誤差進(jìn)行放大和pwm觸發(fā)后，獲取buck電路主開關(guān)管的驅(qū)動信號。

11、本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：

12、(1)本發(fā)明提出的一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)，在發(fā)射端功率放大器前級增加頻率調(diào)制器用以信息加載，將幅值調(diào)制變換器置于功率放大器供電端用于系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)和效率尋優(yōu)，頻率調(diào)制器與幅值調(diào)制變換器分別用于頻率和能量的控制，使得信息傳遞與能量傳輸相互融合但互不干擾，真正實(shí)現(xiàn)微波信息與能量的高效同步傳輸。

13、(2)本發(fā)明在系統(tǒng)架構(gòu)中采用最大功率點(diǎn)跟蹤模塊和幅值調(diào)制變換器，從傳輸功率和負(fù)載兩方面優(yōu)化系統(tǒng)效率，僅在接收端整流電路和負(fù)載之間增加一級mppt變換器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級效率的有效提升；其中，最大功率點(diǎn)跟蹤模塊從負(fù)載角度出發(fā)，將整流電路輸出阻抗始終維持在最優(yōu)阻抗，從而最大化整流電路的輸出功率/效率；幅值調(diào)制變換器從傳輸功率角度出發(fā)，配合最大效率點(diǎn)跟蹤算法，動態(tài)調(diào)節(jié)幅值調(diào)制變換器的輸出電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)功率放大器的輸出功率以及系統(tǒng)的傳輸功率，使功率放大器和整流電路盡可能地工作在效率較高的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)傳能系統(tǒng)整體效率優(yōu)化。

技術(shù)特征：

1.一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)，其特征在于，所述頻率調(diào)制器通過高斯頻移鍵控調(diào)制方式在微波信號中加載信息。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)，其特征在于，所述高斯頻移鍵控調(diào)制方式，首先對微波信號進(jìn)行高斯濾波處理，對經(jīng)高斯濾波處理后的微波信號進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制，所述頻移鍵控調(diào)制通過直接調(diào)制方式或正交調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)。

4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)，其特征在于，所述頻率解調(diào)器通過高斯頻移鍵控解調(diào)方式對接收的微波功率信號進(jìn)行信息解調(diào)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)，其特征在于，所述高斯頻移鍵控解調(diào)通過相干解調(diào)方式或非相干解調(diào)方式實(shí)現(xiàn)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)，其特征在于，所述最大功率點(diǎn)跟蹤模塊包括boost電路及其控制單元，所述boost電路控制單元，通過mppt算法根據(jù)整流電路輸出電壓和輸出電流計(jì)算整流電路輸出電壓參考值，對整流電路輸出電壓采樣值和參考值的誤差進(jìn)行放大和pwm觸發(fā)后，獲取所述boost電路主開關(guān)管的驅(qū)動信號。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)，其特征在于，所述幅值調(diào)制變換器為buck電路。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元，通過最大效率點(diǎn)跟蹤算法根據(jù)幅值調(diào)制變換器的輸入電壓和輸入電流以及負(fù)載電壓和負(fù)載電流計(jì)算幅值調(diào)制變換器輸出電壓參考值，對幅值調(diào)制變換器輸出電壓采樣值和參考值的誤差進(jìn)行放大和pwm觸發(fā)后，獲取所述buck電路主開關(guān)管的驅(qū)動信號。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種基于頻率調(diào)制解調(diào)與幅值調(diào)制的微波信能同傳系統(tǒng)，屬于電通信技術(shù)領(lǐng)域。微波信能同傳系統(tǒng)包含微波信號源、頻率調(diào)制器、功率放大器、幅值調(diào)制變換器、收發(fā)天線、定向耦合器、頻率解調(diào)器、整流電路、最大功率點(diǎn)跟蹤模塊、負(fù)載和控制單元。頻率調(diào)制器和頻率解調(diào)器共同配合，在不影響能量傳輸?shù)那疤嵯聦?shí)現(xiàn)信息的加載和解析。最大功率點(diǎn)跟蹤模塊采用Boost電路和最大功率點(diǎn)跟蹤算法，可實(shí)現(xiàn)接收端整流電路的功率/效率提升。幅值調(diào)制變換器采用Buck電路為功率放大器供電，控制單元通過獲取幅值調(diào)制變換器的輸入電壓和輸入電流以及負(fù)載電壓和負(fù)載電流，執(zhí)行最大效率點(diǎn)跟蹤算法，動態(tài)地調(diào)節(jié)幅值調(diào)制變換器輸出電壓，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作在最大效率點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：金科,楊晨,賈莫琪,周瑋陽,張爍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30