整流天线在远场无线电力传输WPT中的应用

引言

远场无线电力传输（WPT）是一项重大突破性技术，它将支持许多预期中泛在的物联网（IoT）应用，而这些应用与第五代（5G）、第六代（6G）及以上无线生态系统相关。整流天线是整流电路和天线的组合，是远场WPT系统中最关键的组件。然而，紧凑型应用设备需要更小的集成整流天线，这些天线要同时具有大的电磁波捕获能力、高交流（AC）到直流（DC）转换效率，及促进多功能无线性能的作用。

在本研究中，澳大利亚悉尼科技大学蔺炜研究团队综述了各种整流天线的小型化技术，如曲折平面倒F天线（PIFA）整流天线、小型化的基于单极和偶极的整流天线、分形环和贴片整流天线、介质负载整流天线和电小尺寸近场谐振寄生整流天线。

文中总结了它们的性能特征，并与研究人员之前开发的被证明更适合IoT应用的电小尺寸惠更斯整流天线进行比较。例如，如本研究所演示，它们经过定制可以成为无电池IoT传感器。与电池供电设备相比，无电池的无线供电设备体积更小、重量更轻。

此外，它们对环境友好，因此具有显著的社会效益。本研究介绍了一系列高性能电小型惠更斯整流天线，包括惠更斯线极化（HLP）和圆极化（HCP）整流天线、基于这些设计的无线供电IoT传感器以及双功能HLP整流天线和天线系统。

最后，考虑两个线性均匀HLP整流天线阵列系统，以获得更为显著的大型无线电力捕获。示例阵列说明了如何有效将它们与DC或射频（RF）功率进行合成，从而促进IoT的实际应用。

无线电力传输（WPT）技术能够将电磁（EM）能量从电源传输到电子设备的负载，而无需任何导线或物理接触。WPT比传统的有线供电系统更安全、更可靠，特别是在采矿和天然气勘探等工业活动中的应用。

此外，随着第五代（5G）、第六代（6G）和其他无线技术的快速发展，WPT对于当前和未来的物联网（IoT）系统已变得极为重要

。预计未来无处不在的无线供电IoT设备将不再对当前寿命短、体积大和不可降解化学电池有需求。WPT是一种极具吸引力的绿色技术，已经引起了工业界和学术界的广泛关注。

WPT的概念可以追溯到19世纪末尼古拉∙特斯拉的实验。他首次发明了谐振感应近场WPT技术，并成功地以无线方式点亮了灯泡。远场WPT的历史可以追溯到20世纪60年代。

太阳能发电卫星（SPS）、无线供电的飞机和高空平台是WPT技术远距离应用的例子。

21世纪以来，随着应用电磁学科学和工程更深入和更快地发展，WPT技术已被广泛应用于许多商业电子产品，如无线充电AppleTM产品、电动牙刷、射频识别（RFID）系统和电动汽车。

根据其独特的运行机制，WPT系统可分为两大类：近场和谐振中程磁耦合系统，以及远场EM波功率传输系统。

磁耦合系统通常采用线圈通过磁场传递能量。这些系统的物理特性仅支持短距离WPT。实现长距离WPT（从数百米到数千公里）的唯一方法是传输和接收由EM波携带的能量。

图1展示了与由EM波促进的典型远场WPT系统相关的功率流图。发射天线发射由交流（AC）电源供电的EM波。位于发射天线远场的接收器捕获发射的EM波，并通过整流电路将捕获的AC能量转换为直流（DC）功率。

实现时间最长的WPT无线电力传输来自太空卫星；卫星的太阳能电池板收集太阳光（EM波），其微波发射器将能量发射到地球表面，由整流天线阵列（即SPS系统）捕获。

图1. 由EM波、天线和整流器促进的远场WPT。

远场WPT是在即将到来的5G和未来无线世代中实现无电池IoT生态系统的主要支持技术。由于最近超低功率电子技术的重大进步，WPT的发展机会现已广泛存在。例如，仅由无线保真（WiFi）信号供电的无电池手机已获得成功演示。

此外，已有研究表明许多IoT传感器的功耗可以达到0.1 mW以下，这意味着WPT基站将能够以非常低的功率水平进行传播。

图2展示了用于智慧农业和耕种的无线供电IoT传感器系统的应用示例。许多IoT传感器可以部署在单个发射器（功率信标）周围，该发射器本身由可再生能源供电。这种安排对环境友好，需要的人工干预和劳动力大大减少。此外，这种类型的无电池生态系统将有助于提高农业生产力和质量。

从IoT传感器自动收集的数据由它们传输回基站，基站也充当数据网关。这些数据将包括对作物至关重要的信息，如土壤pH值、含水量、温度和湿度。据此可以对其进行分析以做出最佳决策，例如，何时种植和何时收获。考虑到预期将有大量IoT传感器以及与此应用相关的现行电池成本和尺寸，远场WPT技术非常适用于未来的智慧农业和其他无线传感器网络。

图2. 应用示例——用于智慧农业的无线供电IoT传感系统。

远场WPT是实现许多预期与5G、6G及其他无线生态系统相关的IoT应用的关键技术。整流天线是任何远场WPT系统中最关键的组件。

在本研究中，澳大利亚悉尼科技大学蔺炜研究团队描述了一系列高性能电小型惠更斯整流天线的开发，展示了惠更斯线极化（HLP）和圆极化（HCP）整流天线系统。这些HLP和HCP整流天线通过受超材料激发的近场谐振寄生（NFRP）元件和元件偶极天线与紧凑、高效的整流器无缝结合来实现。

薄型HLP整流天线采用三层结构实现。超薄HLP整流天线是使用单个基板实现的。两个系统都实现了近90%的AC-DC转换效率。

本研究描述了两个HLP整流天线的改进，以实现无线供电的温度和光传感器阈值报警系统。通过将两个HLP子系统正交组合并具有90º的必要相位差，本研究还展示了HCP整流天线。

第一种是采用与相应HLP系统相同的三层薄型设计实现的。它的两个HLP子系统与一个不平衡的交叉偶极天线集成在一起，以获得必要的90º相位差。HCP整流天线的AC-DC转换效率受到这个简单的交叉偶极子元件的限制。最大AC-DC转换效率大于90%，这是通过用创新的延迟环路版本替换不平衡交叉偶极子来实现的。

在意识到正交HLP元件彼此高度隔离的基础上，开发了一种用于无线信息和功率传输（SWIPT）应用的双功能HLP系统，一个是HLP子系统执行WPT功能；另一个是执行通信功能。

最后，由4个相同的超薄、电小HLP整流天线组成的两个线性均匀整流天线阵列被认为具有更大的EM波捕获能力。这些阵列与DC和射频（RF）组合拓扑集成在一起。这些元件在DC系统中独立作用，它们各自的DC输出并联连接，在其输出端口产生大的组合电流。这些元件在RF系统中同相组合，产生指向低功率的WPT信标以捕获其EM波的定向光束，从而有效地形成一个大的组合功率，并将其传送到单个整流器。

开发的小型惠更斯整流天线及其形成的线性阵列是用于未来无线生态系统中无线供电IoT应用的理想选项。与通常使用的传统电偶极子（ED）系统相比，它们的单向、宽边辐射场具有直接的显著优势。此外，如本研究所展示的，它们尺寸紧凑，具有大角度和广角无线功率捕获能力，同时还具有高AC-DC转换效率，并且易于以低成本制造。

审核编辑：刘清