Устройство сверхвысокочастотной беспроводной передачи энергии

Полезная модель относится к СВЧ-радиоэлектронике и может быть использована для беспроводной передачи энергии с помощью СВЧ-излучения энергозависимым устройствам, таким как мобильные устройства связи, беспроводные сенсоры, устройства радиочастотной идентификации и др.
Из существующего уровня техники известно множество вариантов реализации устройств беспроводной сверхвысокочастотной (СВЧ) передачи энергии, принцип работы которых, заключается в формировании направленного СВЧ-излучения передающим устройством через свободное пространство к приемному устройству для дальнейшего преобразовании СВЧ-энергии в энергию постоянного тока, как например, портативный комплекс беспроводной передачи энергии для электропитания энергозависимых устройств (RU 2686059). Однако, в заявленной системе, в состав устройства передачи энергии входит одна антенна, что не позволяет сформировать направленное излучение к приемному устройству в составе системы.
Наиболее близким аналогом является устройство СВЧ-беспроводной передачи энергии, представленное в документе (RU 2719472). Данная система содержит источник энергии, фазированную антенную решетку, представляющую собой диаграммообразующую цепь с антенной решеткой для формирования излучения в направлении приемного устройства, управляющую логику и устройство связи с приемным устройством. В приемном устройстве содержится антенна со встроенным выпрямителем, который преобразует СВЧ-энергию в энергию постоянного тока для зарядки аккумулятора. Дополнительные устройства связи в приемном и передающем устройствах, расположенные отдельно от антенной системы передачи энергии, служат для определения положения приемного устройства.
Недостатком известного устройства является использование активной фазированной антенной решетки, что приводит к дополнительным потерям СВЧ-энергии, а также потерям в цепях управления и питания, что уменьшает коэффициент полезного действия (КПД) всей системы беспроводной передачи энергии за счет дополнительного энергопотребления активных элементов в составе фазированной антенной решетки. Кроме того, используются дополнительные устройства связи приемного и передающего устройств для определения положения приемного устройства.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является увеличение КПД устройства.
Для решения поставленной задачи устройство сверхвысокочастотной беспроводной передачи энергии, также, как и известное, содержит передающую часть, в состав которой входят источник энергии, управляющая логика, диаграммообразующая цепь, формирующая направленное излучение в заданном направлении, и приемную часть, содержащую антенну со встроенным выпрямителем, управляющую логику и нагрузку. Но, в отличие от известного устройства, в предлагаемом диаграммообразующая цепь передающей части выполнена в виде планарной линзы Ротмана, в которую введен СВЧ-ключ, соединяющий соответствующий вход планарной линзы с генератором СВЧ-сигнала, а к выходам планарной линзы подключена антенная решетка, формирующая с заданным линзой Ротмана амплитудно-фазовым распределением СВЧ-излучение в направлении приемной части системы,
Достигаемым техническим результатом является увеличение КПД устройства беспроводной передачи энергии за счет использования в структуре диаграммообразующей цепи антенной системы планарной линзы Ротмана, не требующей управляющих элементов кроме СВЧ-ключа, имеющего незначительное энергопотребление.
Признаки, содержащиеся в п. 2 формулы полезной модели, характеризуют устройство, в котором источник пилотного сигнала расположен в его приемной части устройства. Достигаемым техническим результатом является сокращение используемого оборудования за счет определения положения приемного устройства с помощью антенной решетки и линзы Ротмана без использования дополнительного оборудования.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого устройства.
Устройство сверхвысокочастотной беспроводной передачи энергии состоит из двух главных частей передающей и приемной. СВЧ-сигнал формируемый источником энергии 1 подводится с помощью СВЧ-ключа 2, контролируемого управляющей логикой 3 к заданному входу планарной линзы Ротмана 4, которая формирует амплитудно-фазовое распределение вдоль излучающей апертуры антенной решетки 5, антенная решетка формирует СВЧ-излучение в заданном направлении в соответствии с заданным распределением. В приемной части сигнал принимается антенной со встроенным выпрямителем 6, в которой происходит преобразование СВЧ-сигнала в энергию постоянного тока, выделяемого на нагрузке 7, контролируемый управляющей логикой 8. Для определения положения приемной части в ней расположен источник пилотного сигнала 9, который под управлением управляющей логикой излучается антенной приемной частью 6.
Устройство беспроводной передачи энергии осуществляет передачу СВЧ-энергии с помощью антенной решетки и пассивной планарной линзы Ротмана, которая характеризуется меньшими потерями по сравнению с активной фазированной антенной решеткой, так как не содержит в себе активных управляющих элементов задающих амплитудно-фазовое распределение вдоль излучающей апертуры антенной решетки, кроме СВЧ-ключа, энергопотребление которого незначительно по сравнению с остальной системой, что увеличивает результирующее КПД всего устройства. Планарная линза Ротмана, являясь пассивной не требует активного управления, а необходимое амплитудно-фазовое распределение в антенной решетке создается за счет переключения входов планарной линзы. Принцип определения расположения приемной части основан на использовании пилотного сигнала, который излучается приемной частью. Пилотный сигнал принимается передающей частью, определяя направление прихода сигнала и перенаправляя СВЧ-излучение в заданном направлении. Может использоваться режим как с временным разделением каналов, так частотным. Диаграммообразующая цепь в виде планарной линзы имеет множество входов выходов, которые подключены к антенной решетке. В режиме излучения СВЧ-сигнал с выхода источника энергии, с минимальными потерями поступает через СВЧ-ключ на один из входов планарной линзы Ротмана. Распространяясь вдоль планарной линзы, СВЧ-сигнал на выходах линзы имеет амплитудно-фазовое распределение, необходимое для формирования узконаправленного луча в заданном направлении, что позволяет компенсировать общие потери на распространение электромагнитных волн в свободном пространстве. Контроль положения СВЧ-ключа осуществляется с помощью управляющей логики. Выбор входа планарной линзы определяет направление излучения антенной. Планарная линза является взаимным устройством, что означает, что в режиме приема, падающая волна, которая приходит с некоторыми временными задержками через массив элементов антенной решетки, суммируются в фазе, главным образом, на одном из входов планарной линзы. Данное свойство эффективно используется для пассивного метода оценки направления прихода сигнала. Для определения расположения приемной части в конструкцию приемника включен дополнительно источник пилотного сигнала, контролируемый управляющей логикой. Пилотный сигнал излучается антенной приемной части, в то время как, передающая часть в режиме приема, принимая данный сигнал антенной решеткой и, анализируя сигнал по уровню мощности на входах линзы Ротмана. С помощью управляющей логики определяется номер входа планарной линзы, соответствующий, наивысшему уровню мощности пилотного сигнала. В течение временного интервала передачи антенная решетка передает сигнал в требуемом направлении путем подключения СВЧ-генератора к соответствующему входу диаграммообразующей цепи. Далее на основе известного направления управляющая логика передающей части с помощью СВЧ-ключа подключает источник энергии к заданному входу планарной линзы Ротмана. Излученный антенной решеткой передающей части СВЧ-сигнал принимается антенной приемной части, и далее СВЧ-сигнал преобразуется с помощью выпрямителя в энергию постоянного тока, выделяемого на нагрузке. Контроль мощности на нагрузке осуществляется управляющей логикой.
Описание структурной схемы устройства беспроводной передачи энергии и принципов ее работы показывают возможность выполнения диаграммообразующей цепи передающей части устройства на основе планарной линзы Ротмана, которая не требует для работы дополнительного энергозатратного оборудования, что приводит к повышению КПД по сравнению с известным устройством.