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(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。

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。Figure 1. Prototype of a 64-element millimeter-wave band phased-array transceiver and integrated circuit

264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(3)。Figure 2 Higher power generation at longer distances The graph demonstrates that how, as the beam steering increases from 0° to 45° during wireless power transmission, the present device can continue to generate 46% power—a much higher percentage than previous devices which would degrade to a few percent—while achieving more than twice the distance achieved by older devices.

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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