封闭空间内场分布可重构微波无线能量传输理论与关键技术研究

Microwave power transmission in enclosed space based on a novel technique of reconfiguring electromagnetic field in real time is proposed. In addition to transmitting antennas that transmit microwave power, scattering antennas with tunable reactive loads are deployed in the enclosed space. Electromagnetic field in the enclosed space is reconfigured by adjusting two elements jointly: (1) frequency, amplitude, and phase of the microwave power transmitted by the transmitting antennas, and (2) reactance of scattering antennas’ loads. A “retro-reflective scheme” is employed to reconfigure the electromagnetic field in the enclosed space with the goal of accomplishing the optimal power transmission efficiency. If successful, the proposed technique would demonstrate supplying wireless power to multiple electronic devices distributed in a three-dimensional enclosed space simultaneously with superb efficiency. This project aims to establish the theoretical framework of reconfiguring electromagnetic field in real time. Also, the proposed technique will be verified experimentally using low-cost and miniaturized hardware (including antennas and circuits). The outcomes of this project are expected to substantially advance our knowledge and capacity regarding wireless power transmission in enclosed space, with potential applications in Internet of Things, biomedicine, and avionics.

针对封闭环境内电子设备中远距离无线供电的需求，围绕现有腔体谐振耦合无线能量传输技术受收发设备位置、环境影响，效率低、可靠性差等问题，提出并研究封闭空间内场分布可重构微波无线能量传输理论与技术方法。根据封闭空间内电磁波传播特性，引入加载可变反射负载的散射阵列，联合发射阵列馈电频率、幅度和相位综合调控，实现封闭空间内电磁场分布可重构，提高能量传输效率。提出回复式反射自适应重构技术方案，形成复杂和时变环境下稳定可靠的无线能量传输通道，探索对分布于三维空间多个电子设备同时进行高效率无线供电的方法。开展低成本、小型化、可重构的能量收发天线和微波电路设计研究，为无线能量传输实用化排除技术障碍。本项目的研究将提供封闭空间内高效可靠微波能量传输技术的理论基础、设计方法和实验演示系统，推动新型无线能量传输技术的研发及其在物联网、航空航天电子、生物医疗实验等领域的应用。

本项目针对封闭环境条件下物联网传感器等电子设备无线供电的应用需求，围绕复杂多径效应对微波电磁波传播的影响，提出基于场分布可重构的微波无线能量传输理论和体系结构，研究了该体系结构下，自适应提高能量传输效率的方法。完成的研究内容和研究结果包括以下四个方面。（1）封闭空间内微波能量传输建模与理论分析：明确了传统相控阵方向回溯波束赋形用于提升微波能量传输效率方法的不足，提出基于寄生阵列的传能方案，开展了基于散射参数矩阵的微波网络建模，基于该模型，推导得到了寄生阵列传能的优势和理论效率值。通过理论分析和数值仿真表明，寄生阵列传能方案能够充分利用阵列单元之间的强耦合，形成高效率能量传输。（2）封闭空间内驻波电磁场分布的重构方法：引入多个加载全反射负载的散射单元，通过调整全反射负载的电抗，改变封闭空间的内部环境和边界条件，从而达到了调控电磁场分布，实现微波传能效率提升的目的；设计实现了基于传输线阻抗变换的可调反射阻抗，实验测试验证了该方法的有效性和性能。（3）基于寄生阵列和频率自适应的回复反射技术，将开放空间的方向回溯反向波束控制技术推广到封闭空间，定义了新的“回复式反射聚焦”概念，并通过一系列实验验证了该方法对于提升封闭空间无线传能效率的有效性。（4）提出基于时间反演的多目标回复反射技术，弥补了传统方向回溯波束赋形技术不适用于复杂多径传播环境的缺陷，形成了能够同时对多个目标进行追踪聚焦的频分多波束回复反射系统架构。以上研究成果提供了封闭空间内高效可靠微波能量传输技术的理论基础、设计方法和演示验证，在此基础上，将进一步推进无线能量传输技术在物联网、航空航天电子、生物医疗实验等领域的应用。