井下WPT技術機理研究

張國圓 邱瑋煒 丁恩杰

摘 要：為解決井下無線傳感器電池容量受限的問題，根據井下無線傳感器帶壯分布的特點，提出了井下無線運動充電的思想。構建充電系統模型，討論了充電信道建模、接收微帶天線設計、多天線協作三個方面的技術路線。本文在研究井下微波輸能傳輸特性的基礎上，探討在低功率密度下，多天線協作的移動無線充電技術在井下運動式充電特性，使用這個技術對無線傳感器節點充電，解決井下無線傳感器網絡能量補充問題，突破現有節點單純依靠電池供電的局限。

關鍵詞：MWPT 微帶天線 MIMO 微波

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：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

無線電能傳輸 （WPT，the wireless power transmission）就是借助于電磁場或電磁波進行能量傳遞的一種技術[1]。在國外文獻中多是討論微帶天線設計，提高增益、拓展帶寬為目的，以試驗與仿真論文為主。在討論整流效率和功率時多是討論靜止式、固定距離為主。

在文獻2，3中討論了整流天線的設計，進行了充電試驗，但在低功率輸入時未對影響充電的陣列因子討論。在文獻4中討論了無線充電在混凝土中的損耗特性。混凝土損耗屬于固定式損耗，與井下的復雜事變信道有著本質區別。在文獻[5]中討論了將發射天線固定在動車上的思想，但未對運動距離對充電造成的影響進行進一步討論。

由于WPT技術存在效率低的缺陷，較難應用，國內文獻多為綜述。近期由于物聯網研究興起，該技術在各個領域的研究與應用實例在未來五年內會成為熱點。

1 系統組成

井下無線傳感器在帶狀的空間中發布，不同于地面的空間覆蓋狀分布，這為傳感器能量“開源”—充電提供了應用基礎。我們設計將移動基站放置在移動設備頂端上，傳感器節點配備有微帶陣列整流天線，這樣當這個移動點運動時可間斷周期性地無線給各個節點充電。

采煤機等移動設備：速度0.3～3 m/s，標準巷道高3 m，即把微波發射天線固定在機車上，則機車以0.3～3 m/s的速度行進。在約10 m的距離發射微波功率給傳感器節點。接收天線接收微波，經過整流成直流，供給負載。

傳感器節點一次應答時間約在3 ms，典型功耗值在0.1 mw。充電距離在10 m內，充電時間在3s多，就是效率只有1%，對于無線節點來說仍然很可觀。

2 技術路線

結合近年來實驗室的科研項目和實驗研究。發射端受限于井下低功率密度的要求，選擇多天線（MIMO，multi-input multi-output）技術和協作通信（Cooperative communication）技術；單元天線主要選取了微帶天線作為天線陣元進行組陣研究。

2.1 充電信道建模

微波能量傳輸與通信鏈路系統中信號傳輸一樣，遵從Friis 傳輸公式，

PRM為最大接收功率。式中，Pt為發射天線功率；Gt、Gr分別為發射和接收天線的增益；D是傳輸距離；λ是工作波長。

移動式充電區別于靜止式充電，距離D、發射天線增益Gt、接收天線增益Gr都是變量，可分三步逐步推導Prm。

（1）發送端和接收端做軸向運動，以最大功率傳輸，即兩個天線的θ和Φ都不變。

（2）假定接收端始終對準發射端，即接收端的θ和Φ不變，而發射端的改變。

（3）接收端和發送端相向運動，即兩端θ都改變，而Φ不變。

通過仿真表明，充電微波為視距直達波；巷道內復雜環境下的折射波、反射波、繞射波影響較小；影響充電功率的因素為距離損耗、運動速度、天線角度。

2.2 整流天線設計

整流天線通常是由接收陣列、低通濾波、整流電路、直通濾波器組成的，高效地將微波轉換成直流的裝置。微帶天線單元的增益一般只有6～8 dB。為了在井下低功率密度信號下獲得更大的增益，采用由微帶輻射元組成的微帶陣列天線。在10 m距離，天線輸入功率低于-14 dBm，要求天線具備高增益，考慮傳感器體積、安裝環境與充電功率，采用16陣列天線組合可滿足要求。16陣列天線的輻射場的分析可用方向圖相乘原理來分析，即可分為單元天線的輻射場表達式與陣列的陣因子的乘積。用ADS電磁仿真軟件對陣列作出模擬仿真，得到直觀的分析結果，將仿真結果、分析結果和實際測試相對比，找出理論分析與實際測試的誤差，從而更好優化陣列天線。為提高輸出電壓，在輸出端采用倍壓電路，天線端采用雙天線接收，最終形成四倍壓輸出。為提高效率，盡量提高入射功率，考慮到環境和安全的需要，微波功率單天線在5.8GHz最大輸出3.2W，又要保證整流管工作在安全區，需要電源管理電路實時監測入端電壓，一旦超過門限，即發送請求降低發送端發送功率。

2.3 基于協作MIMO的協作節點選擇策略

在不增加發送功率的情況下，MIMO能顯著提高數據傳輸速率和通信質量。但是井下傳感器節點體積較小，限制了多天線的植入；由于防爆要求，最大發射功率也受限。協作MIMO雖然能夠解決多天線植入問題，但是其能耗將由兩部分組成：信號的發射能量和支撐電路消耗能量。將研究井下協作MIMO技術，即多天線協作隊節點充電，以此來提高充電功率和效率。探討使用協作MIMO技術后無線節點在井下的能耗問題，提高網絡的數據吞吐量或者延長網絡的井下生存期。

3 結語

采用運動式WPT技術對傳感器節點進行周期間斷性無線充電，可以始終保持節點后備電池擁有充足的電力，在災難發生時，擁有的備用電量可以應急支撐救災信息的高速率傳輸，從而大大延長傳感器網絡的生存期。

參考文獻

[1] 魏紅兵，王進華，劉銳，等.電力系統中無線電能傳輸的技術分析，重慶工商大學學報（自然科學版），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.