【摘 要】
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在5G时代,智能工厂、智慧家居等运用传感器可实现对室内环境各类参数的智能控制,从而极大地方便人们的工作和生活。鉴于传感器电池容量小、寿命低等缺点,海量传感器的高效供电成为智能室内场景持续工作的关键。传统的有线供电依赖电线和接口,这增加了布线难度以及限制了传感器的使用范围。因此,探寻用于室内场景的无线输能技术,对海量传感器进行高效能量传输,是实现智能工厂、智慧家居等迫切需要解决的难题。基于时间反演(
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在5G时代,智能工厂、智慧家居等运用传感器可实现对室内环境各类参数的智能控制,从而极大地方便人们的工作和生活。鉴于传感器电池容量小、寿命低等缺点,海量传感器的高效供电成为智能室内场景持续工作的关键。传统的有线供电依赖电线和接口,这增加了布线难度以及限制了传感器的使用范围。因此,探寻用于室内场景的无线输能技术,对海量传感器进行高效能量传输,是实现智能工厂、智慧家居等迫切需要解决的难题。基于时间反演(Time Reversal,TR)的点聚焦无线输能技术,利用TR的空间聚焦能力,产生电磁聚焦场,从而高效地传输能量,具有输能范围灵活、安全性好、适用于多用户等特点,十分适合室内传感器的供电需求。然而,目前TR点聚焦无线输能技术难以实现对用户功率分配的精准调控。另外,如何在保证多用户的功率分配时,提升输能效率也是一个难点。本文通过完善TR点聚焦输能理论,提出效率提升方案,从而解决以上难题,为室内海量传感器的高效供电系统的实现提供技术支撑。具体内容如下:首先,通过理论推导证明了TR对于聚焦输能的效率优势,并进一步地提出了优化接收相位的多点聚焦方法,实现了对用户功率分配的精准调控。较于基于加权TR基向量的调控方式,提出的方法具有优化变量少、调控精准等优点,能够有效地为室内的传感器分配所需的功率。其次,根据提出的多点聚焦方法,分析了输能效率的影响因素。通过公式推导结合定量分析,明晰了传输信道、接收信号的幅度和相位等参数对输能效率的影响规律,为效率提升奠定了理论基础。接着,基于效率影响因素的分布特征,提出了两种效率提升方法。根据高效传输信道的特征,提出了基于共馈单元的TRM优化设计方法,用以改善信道参数,从而提升系统传输效率;此外,利用接收信号的幅度分布和效率之间的约束关系,提出了扰动幅度分布的效率提升方法。提出的方法可以极大地改善效率影响参数的特征,从而有利于提升室内传感器的供电效率。最后,设计并搭建了一套模拟室内的TR多点聚焦无线输能实验系统。通过实验数据对比,验证了本文提出的效率提升方法的有效性。通过选择性地无线驱动系统中的LED,证明了TR多点聚焦输能对室内海量传感器高效供电的可行性。
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