通过RF进行无线电力传输的基本设计

介绍

支持射频 (RF) 的无线电力传输 (WPT) 已经存在了很长时间，但最近低功率电子设备的发展和先进的波形优化技术 [1, 2] 带来了广泛的新应用，其中 WPT 可以用于有用。在某些情况下，WPT 比电缆和电池更具吸引力。首先，固定在移动物体上的物品，例如安装在电机轴上的传感器，可以从 WPT 技术中受益，因为随着时间的推移，随着时间的推移，布线会成为一个不断移动的问题。其次，使用电缆难以访问或维护成本高昂的物品，例如恶劣环境中的远程传感器。此外，在室内使用且远离阳光直射的物品可以从 WPT 中受益，而不是充足的太阳能。耗电量，

系统总览

无线供电系统的设计可以简化为传输端 (TX) 和接收端 (RX)。系统可以是闭环“主动”系统，实时监控向 RX 供电以确保优化性能和正常运行时间，也可以是没有实时反馈且效率通常较低的“被动”系统。解决方案是否需要有源或无源系统取决于多种因素，例如范围、每个发射器支持的接收器数量、部署方案和可靠性要求。

图 1：TFi 无线电源网络 (WPT) 系统概览

在主要组件块中，有多个子系统需要设计和改进，以便彼此有效运行。TX上的主要子系统如下：

(1) 信号生成：使用相移键控 (PSK) 等数字调制技术，在具有预定义参考频率的载波上调制任意消息。之后，生成的射频信号被放大到给定的功率电平。

(2) 波束成形：生成和放大的射频信号需要被分成多个独立控制的低功率射频路径，称为通道。每个通道的输入 RF 信号通过移相器模块，以获得与其他通道相比的相对相移。板载 MCU 根据从接收器接收到的反馈设置每个移相器的设定点，以使 WPT 吞吐量最大化，即向接收器传输的功率的加权和最大化。TransferFi是一家位于新加坡的初创公司，使用内部开发的硬件(如图 2 所示)和软件平台在 WPT 领域领先波束成形技术。

图 2：TFi 集成 8 通道 Turin-1 WPT 波束形成器硬件

(3) 放大：根据工作范围的不同，各通道的射频功率在应用移相后需要进行放大，然后才能推送到天线。有具有数字或模拟增益控制机制的射频功率放大器，但建议使用相位失真最小的放大器以提高波束成形精度。

(4) 天线：各种天线可以用来传输无线电力，各有优缺点。例如，全向天线在所有方向上均等地发射功率，尽管能量密度较低。定向天线具有更窄的视场，但具有更高的能量密度。正如您可能推断的那样，选择和布置天线是部署场景的一项功能。例如，定向天线在一对一设置中非常有效，因为无需将波束移动和聚焦到其他接收器。然而，多接收器场景可以受益于具有更宽视野的多通道全向阵列，以便将能量直接聚焦到特定接收器。

在接收端，主要子系统是

(1) 接收天线：与发射端类似，接收天线的选择基于所需的增益和安装方向。定向天线必须对准发射器以达到最佳效果，但全向天线不需要朝向任何特定方向。多通道接收器天线阵列也可用于组合射频功率以驱动更高的负载。

(2) RF-to-DC Conversion & Storage： RF 信号必须先整流成直流电压/电流(请参考[3] 使用RF-to-DC 整流器的通用能量收集系统的数学模型) . 由于转换后的直流电压非常低，因此在存储到储能单元之前需要升压和调节。这可以使用现成的电源管理 IC(例如Texas Instruments 的BQ25570)来实现，也可以使用分立电路(如图 3 所示的 TransferFi 的 Turin-1 整流器)来实现。累积足够的电荷后，它会在一个以所需电压调节方式，以便为 SoC 和/或其他连接的设备供电。

图 3：TFi 集成 4 通道 Turin-1 整流器硬件

(3) 无线反馈通信：为了创建一个实时自适应和高效的 WPT 系统，可以采用实时反馈环路，该环路不断监控传送到每个接收器的功率。NRF52系列等低功耗 SoC可用于主动测量读数，例如接收到的射频功率电平、能量存储单元的充电状态以及连接的传感器读数(如果有)。TransferFi 的 OneClick 软件平台使用此类反馈数据进行通道学习和光束校准，同时优先考虑多接收器系统中的功率共享。

　　审核编辑：汤梓红