基于近场聚焦和时间反转跟踪的无线能量传输新型体系结构研究

To meet the emerging demand for middle-to-distant range wireless power transmission in applications such as Radio-Frequency-Identification (RFID), wireless sensing/monitoring and mobile electronic devices, a new architecture for wireless power transmission based on near-field focusing and time-reversal tracking is proposed in this project. The proposed architecture addresses problems of existing wireless power transmission techniques including low efficiency, potential hazard to human health, high cost, large size and heavy weight. The concept and design of near-field focusing using distributed antenna arrays are proposed to improve power transmission efficiency and avoid potential health hazards/interference. Retro-reflective antenna arrays are employed for tracking and localizing targets. Narrow pulses are adopted as pilot signals, which are analyzed by Fourier transform circuits with low cost and low power consumption. Novel antennas, time-domain matching networks, and microwave rectification circuits will be investigated to further improve the system efficiency, reduce system size and weight, as well as to facilitate system integration. This project aims at providing the theory foundation, design methodology and experimental demonstration systems for a highly efficient, safe and reliable power transmission technique through RF beamforming. The outcome of the project are expected to significantly promote the future development of related areas including the internet of things and body area network.

针对射频识别、无线传感/监控、以及各类移动电子设备等领域对中远距离无线供电的需求，提出并研究基于近场聚焦和时间反转跟踪的新型无线能量传输体系结构。围绕现有射频无线能量传输技术存在的效率低、安全性能差、成本高、体积大等问题，引入分布式天线近场聚焦的概念和方法，提高能量传输效率，避免对人体安全的危害和对周边电子系统的干扰；采用回复式反射天线阵列技术，跟踪和定位移动目标，排除实际应用中障碍物干扰；采用窄脉冲作为导航信号，提出导航信号的傅立叶分析电路设计，降低系统功耗和成本；开展新型天线、新型时域匹配网络和新型微波整流电路等设计研究，探索提高系统效率、减小系统尺寸和重量，以及系统集成化的实现途径。本项目的研究将提供通过射频波束近场聚焦实现高效率、安全可靠的能量传输的理论基础、设计方法、和实验演示系统，为我国物联网、人体局域网等新兴产业的发展提供技术支持和储备。

中远距离无线能量传输在物联网、能源互联网、航空航天电子、以及消费类移动电子产品等领域有广泛的应用前景和需求。传统的远场波束形成技术不适用于基于近场聚焦的微波能量传输应用场景。本项目提出了基于回复式反射近场聚焦的新型无线能量传输体系结构，从理论上研究了微波能量传输的回复式反射与通信领域的方向回溯的差异，并实验验证了回复式反射对非固定电子设备跟踪无线供电的有效性。研究成果为高效率自适应近场聚焦微波能量传输技术的实现和应用提供了理论支持、设计方法和演示方案。具体研究工作和成果如下。.（1）微波能量传输回复式反射的概念和理论研究：提出适用于近场聚焦的回复式反射概念和理论；在此基础上，提出并验证了采用非传统分布式阵列进一步减小远场辐射损耗，提高能量传输效率的方法。.（2）回复式反射微波能量传输的方案设计与实现：围绕回复式反射系统设计的两大关键问题，即如何高效可靠的获取和利用导引信号共轭相位信息形成反向波束和如何避免大功率载波对微弱导引信号干扰的问题，提出并研究了时分和频分复用两种系统方案，通过天线极化分集、信号滤波等手段提高功率载波和导引信号之间的隔离度，通过硬件混频新型设计抑制非线性器件中直通泄露对相位信息干扰，形成了高效可靠的回复式反射系统硬件实现方案。.（3）回复式反射近场聚焦性能的实验验证研究和系统性能演示：搭建实验演示系统，通过实测数据对本项目提出的技术方案进行了全面的测试，测量和演示结果表明，回复式反射近场聚焦方案能够对移动目标实时跟踪供电，达到了预期的效果。.（4）空间太阳能电站微波无线能量传输应用中反向波束控制技术与方案研究：将回复式反射理论与技术应用于超大规模超远距离高效率微波能量传输场景。针对该应用对超高精度波束指向的需求，采用半解析半数值方法建模仿真，深入分析了回复式反射体系结构下影响波束指向精度的因素及其导致指向误差的机理，为大规模远距离微波能量传输系统提供了设计依据。