OTA同步傳輸5G訊號和電力成真？
作者 : Tokyo Tech
東京工業大學(Tokyo Tech)的研究人員創造了一種能夠同時傳輸電力和5G訊號的裝置。這款5G網路訊號收發器採用全無線供電，可在遠距離和角度下提供高功率轉換效率...
毫米波(millimeter-wave；mmwave)無線電力傳輸作為大規模物聯網(Massive IoT)解決方案的潛力，最近在東京工業大學(Tokyo Tech)研究人員的努力下被發掘了！研究人員們創造了一種能夠同時傳輸電力和5G訊號的裝置。這款5G網路訊號收發器採用全無線供電，可在遠距離和角度下提供高功率轉換效率。
自從Nikola Tesla首次提出無線傳輸電力的想法以來，已經有多種研究致力於將這一概念用於不同的應用。一種新的方法是使用5G網路——隨著5G網路開始上線，物聯網網路的規模預計隨之增加。由於在此網絡上有如此多的裝置，因此越來越需要製造能夠處理5G訊號的無線供電裝置。
然而，此類裝置的生產面臨著許多無線供電裝置同樣面對的障礙——傳輸距離短，以及接收電力的方向固定。由東京工業大學副教授Atsushi Shirane帶領的一支科學家研究團隊，開發了一種可用於5G網路的無線供電發射器-接收器生產途徑，克服了上述的這兩個問題。
這項研究成果發表於2022年IEEE VLSI技術和電路研討會。Shirane解釋說：「毫米波無線電力傳輸系統是具有前景的大規模物聯網解決方案，但它一直受到技術問題的阻礙。如今，我們能以更大角度與距離在生產高效率5G收發器方面取得突破。」
此研究開發的所謂「毫米波段相控陣無線電」最大特點是透過波束控制同時接收無線電力傳輸和無線通訊訊號。迄今為止所報導的無線電力傳輸接收器不具備波束控制特性，或者即使具備，也只能在窄波束角度範圍內使用。透過解決該問題，可以延長距離並擴大無線電力傳輸和無線通訊。
該無線電支援28GHz頻段的無線通訊訊號發送和接收，同時在ISM頻段的24GHz頻段進行無線電力傳輸。它還可以用於作為屏蔽的中繼器，方法是將此無線電連接到可作為無線電波屏蔽的牆壁或窗戶的兩側。
在這款收發器中，研究人員設計了一種新的天線整合移相器，使用點對稱天線對，以便更有效地發射和接收大範圍的無線電波(圖1)。
以往移相器僅由電路組成，但該研究將不同饋電位置的點對稱天線配對，用開關切換兩根天線，作為180°移相器運作。這使得可以減少移相器的損耗。此外，點對稱天線對能夠在水平和垂直方向上進行波束控制。其結果是在不降低無線電力傳輸效率的情況下，實現了低損耗和2D寬範圍無線電波傳輸/接收。
圖1：使用點對稱天線對的天線/電路整合傳輸裝置。
該原型無線電配備了一個4晶片的無線電IC，每個晶片整合16個收發器，並配置為64元件相控陣無線電(圖2)。為了能夠貼附在各種地方，收音機板採用了LCP軟性板和剛性板的混合配置，具有優異的高頻特性。該無線IC採用矽CMOS製程製造，尺寸小至1.8 mm x 1.0 mm，能以低成本大量生產。
圖 2：64元件毫米波段相控陣收發器和IC的原型，可作為收發器的原型。
測量評估在接收28GHz頻段的無線電通訊和24GHz頻段的無線電力傳輸時，在水平和垂直方向上實現了± 45°的波束轉向特性。使用天線測量和評估OTA (Over The Air)，並成功地使用64QAM調變訊號進行無線通訊的傳輸和接收。
在無線電力傳輸過程中，隨著波束控制從0°增加到45°，該裝置持續產生46%的發電功率——比以往降低至僅幾百分點的裝置高更多的百分比——同時還能達到比以往裝置更多2倍的距離(圖3)。
圖3：與以往研究的比較：達到更遠距離並產生更高發電功率。
該團隊首創的發射器-接收器裝置有兩種模式，接收模式和發射模式。在接收模式下，裝置接收5G訊號和毫米波功率訊號，該功率訊號啟動裝置並為其供電，然後進入傳輸模式，並以與最初接收訊號相同的方向傳回5G訊號。
因此，相較於目前大多數室內物聯網裝置，這種裝置無需單獨的插入點即可輕鬆通訊並成為物聯網的一部份。該裝置可以在很寬廣的角度和距離範圍內發電，因此不會受到以前無線供電裝置所面臨的挑戰影響。
使用像這樣的小型裝置，只需很少的維護和額外的基礎設施，物聯網網路就可以輕鬆擴展。Shirane總結道：「這是世界上第一次透過波束控制同時接收電力和通訊訊號。我們堅信這樣的技術可以徹底改變物聯網網路，並使其擺脫目前的束縛。」
本文原刊登於EDN China網站，夏菲編譯
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