井下WPT技术机理研究

张国圆 邱玮炜 丁恩杰

摘 要：为解决井下无线传感器电池容量受限的问题，根据井下无线传感器带壮分布的特点，提出了井下无线运动充电的思想。构建充电系统模型，讨论了充电信道建模、接收微带天线设计、多天线协作三个方面的技术路线。本文在研究井下微波输能传输特性的基础上，探讨在低功率密度下，多天线协作的移动无线充电技术在井下运动式充电特性，使用这个技术对无线传感器节点充电，解决井下无线传感器网络能量补充问题，突破现有节点单纯依靠电池供电的局限。

关键词：MWPT 微带天线 MIMO 微波

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（b）-0065-02

Mechanism Research For Underground WPT Technology

ZHANG Guoyuan 1，2， QIU Weiwei 1， DING Enjied 1

（1.IOT Perception Mine Research Center China University of Mining and Technology， Xuzhou， Jiangsu 221008，China；2.JS Xuzhou Broadcast and TV Network， Xuzhou， Jiangsu， 221006， China）

Abstract：To alleviate the battery capacity challenges associated with underground wireless sensors power supply issues， we propose a wireless moving charge system model for energy-limited based MIMO cooperative communication according to the zonal distribution feature of wireless sensors in mine. We design a mobile platform to serve as the RF energy source that could receive and process data from the sensor network， lightening the need for the power limitations with many underground wireless sensor nodes. The paper proposes underground power characteristics of moving WPT of multiple antennas cooperation in discussion of low power applications， basing of microwave power transmission characteristics.The technology can charge wireless sensors and solve power supply in wireless networks， breaking through a desired operational lifespan which exceeds that of conventional battery technologies.

Key Word：WPT；Microstrip antenna；MIMO；Microwave

无线电能传输 （WPT，the wireless power transmission）就是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术[1]。在国外文献中多是讨论微带天线设计，提高增益、拓展带宽为目的，以试验与仿真论文为主。在讨论整流效率和功率时多是讨论静止式、固定距离为主。

在文献2，3中讨论了整流天线的设计，进行了充电试验，但在低功率输入时未对影响充电的阵列因子讨论。在文献4中讨论了无线充电在混凝土中的损耗特性。混凝土损耗属于固定式损耗，与井下的复杂事变信道有着本质区别。在文献[5]中讨论了将发射天线固定在动车上的思想，但未对运动距离对充电造成的影响进行进一步讨论。

由于WPT技术存在效率低的缺陷，较难应用，国内文献多为综述。近期由于物联网研究兴起，该技术在各个领域的研究与应用实例在未来五年内会成为热点。

1 系统组成

井下无线传感器在带状的空间中发布，不同于地面的空间覆盖状分布，这为传感器能量“开源”—充电提供了应用基础。我们设计将移动基站放置在移动设备顶端上，传感器节点配备有微带阵列整流天线，这样当这个移动点运动时可间断周期性地无线给各个节点充电。

采煤机等移动设备：速度0.3～3 m/s，标准巷道高3 m，即把微波发射天线固定在机车上，则机车以0.3～3 m/s的速度行进。在约10 m的距离发射微波功率给传感器节点。接收天线接收微波，经过整流成直流，供给负载。

传感器节点一次应答时间约在3 ms，典型功耗值在0.1 mw。充电距离在10 m内，充电时间在3s多，就是效率只有1%，对于无线节点来说仍然很可观。

2 技术路线

结合近年来实验室的科研项目和实验研究。发射端受限于井下低功率密度的要求，选择多天线（MIMO，multi-input multi-output）技术和协作通信（Cooperative communication）技术；单元天线主要选取了微带天线作为天线阵元进行组阵研究。

2.1 充电信道建模

微波能量传输与通信链路系统中信号传输一样，遵从Friis 传输公式，

PRM为最大接收功率。式中，Pt为发射天线功率；Gt、Gr分别为发射和接收天线的增益；D是传输距离；λ是工作波长。

移动式充电区别于静止式充电，距离D、发射天线增益Gt、接收天线增益Gr都是变量，可分三步逐步推导Prm。

（1）发送端和接收端做轴向运动，以最大功率传输，即两个天线的θ和Φ都不变。

（2）假定接收端始终对准发射端，即接收端的θ和Φ不变，而发射端的改变。

（3）接收端和发送端相向运动，即两端θ都改变，而Φ不变。

通过仿真表明，充电微波为视距直达波；巷道内复杂环境下的折射波、反射波、绕射波影响较小；影响充电功率的因素为距离损耗、运动速度、天线角度。

2.2 整流天线设计

整流天线通常是由接收阵列、低通滤波、整流电路、直通滤波器组成的，高效地将微波转换成直流的装置。微带天线单元的增益一般只有6～8 dB。为了在井下低功率密度信号下获得更大的增益，采用由微带辐射元组成的微带阵列天线。在10 m距离，天线输入功率低于-14 dBm，要求天线具备高增益，考虑传感器体积、安装环境与充电功率，采用16阵列天线组合可满足要求。16阵列天线的辐射场的分析可用方向图相乘原理来分析，即可分为单元天线的辐射场表达式与阵列的阵因子的乘积。用ADS电磁仿真软件对阵列作出模拟仿真，得到直观的分析结果，将仿真结果、分析结果和实际测试相对比，找出理论分析与实际测试的误差，从而更好优化阵列天线。为提高输出电压，在输出端采用倍压电路，天线端采用双天线接收，最终形成四倍压输出。为提高效率，尽量提高入射功率，考虑到环境和安全的需要，微波功率单天线在5.8GHz最大输出3.2W，又要保证整流管工作在安全区，需要电源管理电路实时监测入端电压，一旦超过门限，即发送请求降低发送端发送功率。

2.3 基于协作MIMO的协作节点选择策略

在不增加发送功率的情况下，MIMO能显著提高数据传输速率和通信质量。但是井下传感器节点体积较小，限制了多天线的植入；由于防爆要求，最大发射功率也受限。协作MIMO虽然能够解决多天线植入问题，但是其能耗将由两部分组成：信号的发射能量和支撑电路消耗能量。将研究井下协作MIMO技术，即多天线协作队节点充电，以此来提高充电功率和效率。探讨使用协作MIMO技术后无线节点在井下的能耗问题，提高网络的数据吞吐量或者延长网络的井下生存期。

3 结语

采用运动式WPT技术对传感器节点进行周期间断性无线充电，可以始终保持节点后备电池拥有充足的电力，在灾难发生时，拥有的备用电量可以应急支撑救灾信息的高速率传输，从而大大延长传感器网络的生存期。

参考文献

[1] 魏红兵，王进华，刘锐，等.电力系统中无线电能传输的技术分析，重庆工商大学学报（自然科学版），2009（9）：163-167.

[2] Abdul Mueed， Dr M. Noman Jafri， S.Integrated Design of Rectenna Using Microstrip Patch for Wireless Power Transfer at 4.3GHz[C]//，Proceedings of International Bhurban Conference on Applied Sciences & Technology Islamabad， Pakistan， January 2009.

[3] Yu-Jiun Ren and Kai Chang， 5.8-GHz Circularly Polarized Dual-Diode Rectenna and Rectenna Array for Microwave Power Transmission，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES，2006，54（4）：14.

[4] Khan M. Z. Shams， Mohammod Ali.Wireless Power Transmission to a Buried Sensor in Concrete[J].IEEE SENSORS JOURNAL，2007，7（12）：1573-1577.

[5] Kevin M. Farinholt， Gyuhae Park， and Charles R.Farrar，RF Energy Transmission for a Low-Power Wireless Impedance Sensor Node[J]. IEEE SENSORS JOURNAL，2009，9（7）：793-800.