自從尼古拉·特斯拉在19世紀(jì)末嘗試無果后，電氣工程師以尋求無線方式與遠(yuǎn)距離傳輸電力作為目標(biāo)。在20世紀(jì)70年代，美國宇航局和美國能源部的工程師在千瓦公里范圍內(nèi)的無線電力傳輸方面取得了一些明顯成功，他們的努力受到了當(dāng)時(shí)能源危機(jī)的推動(dòng)。然而，隨著能量再次變得充足，興趣減弱。

　　現(xiàn)在，隨著5G的出現(xiàn)及其在毫米波段內(nèi)的高頻傳輸能力，WPT正在開啟新的機(jī)遇和方法。東京工業(yè)大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種原型64-element毫米波段相控陣收發(fā)器，可以在接收電力的同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。他們?cè)O(shè)計(jì)的最初目的是將收發(fā)器用作5G中繼點(diǎn)，然后將其集成到物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備中。該項(xiàng)目的首席研究員Atsushi Shirane表示，這將使該設(shè)備擺脫電池、插頭和電纜的約束。因此它將是更小、更實(shí)用、更快的通信設(shè)備，并可能降低維護(hù)成本。

　　Shirane指出，該收發(fā)器克服了兩個(gè)主要障礙：傳輸距離短和可以接收功率的固定方向。更重要的是，他說：“它是第一款通過使用相移的波束控制實(shí)現(xiàn)同時(shí)接收電力和通信信號(hào)的設(shè)備。”

　　Shirane在今年 6 月位于夏威夷檀香山舉辦的2022年IEEE大規(guī)模集成電路技術(shù)和電路研討會(huì)上，展示了該團(tuán)隊(duì)的研究成果。。

　　收發(fā)器的正面是一個(gè)64-element相控陣天線，分布在四個(gè)象限里。背面有塊柔性印刷電路板，內(nèi)含四個(gè)定制的射頻集成電路芯片，每個(gè)芯片分別連接到四個(gè)天線象限中的一個(gè)。這些芯片集成在一個(gè)8x8陣列上，作為一個(gè)完全無源的單元工作。每個(gè)芯片包含一個(gè)移相器，以實(shí)現(xiàn)光束轉(zhuǎn)向和一個(gè)整流器，整流器的電源和通信輸出連接到應(yīng)用設(shè)備。

　　收發(fā)器有兩種工作模式。

　　在接收模式下，基站發(fā)射28GHz的通信信號(hào)和24GHz的WPT信號(hào)，這些信號(hào)將從四個(gè)象限天線同時(shí)被接收并發(fā)送給各自的接收芯片。WPT信號(hào)激活設(shè)備，通信和電力信號(hào)都進(jìn)行了相移，以實(shí)現(xiàn)高達(dá)正負(fù) 45 度的精細(xì)空間光束轉(zhuǎn)向。信號(hào)被發(fā)送到16路功率組合器，該組合器將相位對(duì)齊并產(chǎn)生一個(gè)共同的輸出，以促進(jìn)更長的傳輸距離。然后，整流器將WPT信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電來運(yùn)行應(yīng)用程序，同時(shí)把28GHz通信信號(hào)變頻到中間頻率(如4GHz)，以此使應(yīng)用程序更易于管理。

　　反向過程發(fā)生在傳輸模式中，源于應(yīng)用程序的4GHz中間信號(hào)被變頻到28GHz，并在使用后向反射反向散射相同的方向發(fā)送回。

　　Shirane解釋說，WTP的性能取決于天線元件的數(shù)量和基站的輸出功率。64根天線的原型收發(fā)器產(chǎn)生了1毫瓦的功率，并且它在4.5米處繼續(xù)產(chǎn)生46%的輸出，即使在正負(fù)45度的接收角度也是一樣。他估計(jì)1024個(gè)元素的陣列將產(chǎn)生10mW。

　　隨著概念驗(yàn)證的建立，研究人員現(xiàn)在致力于創(chuàng)造更多陣列和更高頻率的收發(fā)器，以增加輸出功率、通信速度和距離。

　　“作為商業(yè)化的第一步，”SHIRANE說，“我們的目標(biāo)是將該技術(shù)用作無電池5G中繼收發(fā)器，以擴(kuò)大毫米波5G通信的服務(wù)區(qū)域覆蓋范圍。增加直流發(fā)電量后，該收發(fā)器還可用于無電池的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。”