（本页是纯文字版，点此阅读完整版全文）

无线电力传输：波形效率、互操作性和技术展望

Eduardo Nunez van Eyl, Nikolas Athanasopoulos, Daniela Raddino and Rania Morsi, Rohde & Schwarz, Munich, Germany

随着低功耗传感器网络的日益普及，同时为许多设备供电成为一个日益重要的课题。随着智能楼宇中设备密度的不断增加，传统的供电方式（如电缆或电池）已变得不切实际。电缆限制了移动性，而电池则需要额外的维护，因为它们必须定期更换。远距离无线电力传输（WPT）和能量收集（EH）可使低功耗设备无限期运行，无需维护，移动范围更大。

虽然人们已经对WPT和EH的基本物理概念进行了深入研究，但由于端到端效率低以及缺乏确保互操作性的协调等挑战，使用射频波传输能量尚未得到广泛采用。本文通过研究波形对射频-直流转换效率的影响，证实高峰值-平均功率比(PAPR)信号可提高整流电路的效率，从而应对这些挑战。文章还概述了当前的标准化工作，并展示了罗德与施瓦茨公司的原型测试装置如何促进WPT技术的发展。此外，还讨论了向更高工作频率转变的潜力，以实现更小、更高效的设备，释放WPT的大众市场潜力。报告的研究结果为致力于克服WPT和EH技术和实践障碍的研究人员和行业利益相关者提供了宝贵的见解。

WPT的历史和当前挑战

WPT的基本概念可追溯到19世纪。1888年，Heinrich Hertz通过实验成功验证了麦克斯韦的电磁波预言，证实了从一点到另一点无线传输电力的可能性。1899年，Nikola Tesla设想在全球传输大量电能。为此，他建造了Wardenclyffe塔，目标是实现跨大西洋无线通信和电力传输。

在1960年代微波技术取得进步之前的几十年里，远场WPT技术没有取得进展。William C. Brown开创了现代远场WPT的先河。他演示了5.5米远的灯泡和电风扇的无线供电。他还演示了第一架微波供电直升机。射频WPT的另一个重要应用是太阳能供电卫星。在这一系统中，地球同步卫星捕获太阳能。这些能量在太空中被转换成微波能量，然后被传送到地球并转换成直流电。这些远场WPT实验的重点是使用大型天线进行远距离高功率射频传输。

近来，无线传感器、物联网设备和可穿戴电子设备等低功耗通信设备的激增和普及，引起了人们对使用WPT在几米的中短距离内实现低功耗传输（如微瓦至毫瓦）的兴趣。尽管对WPT进行了大量研究，但仍需做出巨大努力，对接收电路进行建模和优化，以实现尽可能高的转换效率。另一个问题是协调开发工作和产品，以确保WPT设备之间的共存性和互操作性。

射频到直流的转换效率

就其核心而言，射频到直流的转换过程相对简单，只涉及两个组件，即天线和整流器，通常被归类为"整流天线"。天线接收射频信号，整流器将其转换为直流信号。整流器通常包含二极管和一个基于电容的低通滤波器(LPF)，是一个非线性电路元件。

高射频到直流转换效率具有明显的优势。首先，高效的WPT意味着以热量形式浪费的能量更少。这就提高了整个系统的性能，包括电能传输范围和设备充电时间。其次，高效率可实现更高的接收功率，从而扩大WPT的应用范围。

理论考虑

由于电路的射频输入功率和直流输出功率之间的关系，射频-直流转换器的整流元件是一个非线性电路元件。波形对转换效率有影响。¹具有高PAPR的信号可获得更高的直流功率。这是因为与平均功率相同但峰值功率较低的恒定包络信号相比，高PAPR信号的峰值更有可能超过二极管的导通电压。此外，高PAPR信号的峰值可将电容器充电至更高的电压水平。对于时间常数较长的输出LPF，电容器可将充电电压维持到下一个信号峰值。

波形效率比较

为了比较高PAPR信号对原型电路板的射频到直流转换效率的影响，将信号发生器与功率分配器相连，功率分配器将输入功率平均分配给频谱分析仪和Powercast公司的射频到直流接收器(Rx)电路板。电池模拟器连接到Rx的直流输出端。通过模拟各种类型电池（包括锂离子电池和镍镉电池）的行为，无需使用物理电池。电池终端的充电、电流和电压状态也会显示出来。电压和电流的精确测量使用高精度万用表进行。该装置通过远程控制可自动进行测试和其他评估。图1显示了表1所列设备的设置图。测量参数和配置见表2。

图1：波形效率比较设置。

图2显示了在不同射频功率输入到接收电路时的射频到直流转换效率。在整个输入功率范围内，OFDM信号的性能普遍优于正弦信号。这证实了一个假设，即高PAPR信号由于其非线性特性，整流器效率更高。另一个有趣的现象是，由于高PAPR信号的效率更高，整流器所需的最小输入功率降低了约2-3dB。换句话说，高PAPR信号会提高射频到直流转换器的灵敏度。这意味着更大的工作范围、更高的输出功率和更好的用户体验。

图2：原型电路板的射频到直流转换效率。

3GPP和环境能物联网（Ambient IoT）

互操作性是未来WPT系统的关键因素。它使无线设备充电时不会出现兼容性问题。这将带来一个更加多样化的生态系统，促进市场增长和创新，最终使WPT技术变得更加经济实惠。

全球电信标准组织3GPP一直专注于3G至5G网络的通信标准。然而，他们的现有标准以前并没有解决低功耗、低复杂度设备的特殊需求，这些设备可能无需电池即可运行，功耗低于10mW。3GPP认识到这一差距，在最近的研究中引入了"环境能物联网"的概念，在TR22.840和TR38.848中概述了要求和空中接口规范。环境能物联网设备的低功耗特性使其成为射频供电运行的理想候选设备。在第19版中，3GPP环境能物联网计划涉及用例、连接架构、频谱分配、EH和覆盖范围等关键方面，为创新的物联网应用铺平了道路。

空气燃料标准化工作和测试

要使一项技术可用于商业用途，就必须制定一项可适用于不同制造商生产的设备标准。此外，有必要定义合规性测试要求，设备在投入市场前必须满足这些要求。这对于确保像WPT这样的新技术不会对现有技术产生负面影响非常重要。为此，空气燃料联盟（AFA，AirFuel Alliance）制定了射频WPT标准。

AFA是一个由制定无线充电标准的公司组成的全球联盟。AFA定义了AirFuel Resonant（共振）标准，该标准使用工业、科学和医疗(ISM)频段中6.78MHz的磁共振，可在几厘米的距离内为功率高达50W的设备充电。AFA还定义了AirFuel RF（射频）标准，使用900MHz ISM频段（865-868MHz和902-927MHz，视地区而定）的射频信号，在数米距离内提供高达1W的无线功率。这使Rx在供电时可以自由移动。AirFuel射频使用蓝牙低功耗技术在Tx和Rx之间进行控制信道通信。接收设备可与Tx建立完整的蓝牙连接，或或接收专门的蓝牙广播，请求其范围内的任何Tx为其供电。

AirFuel射频标准基本系统规范(BSS)于2023年1月面向AFA成员发布。互操作性(IOP)和一致性测试规范(CTS)于2024年4月面向AFA成员发布。这些标准化工作旨在使无线充电的射频信号像Wi-Fi通信一样无处不在。

作为AFA的成员，罗德与施瓦茨的WPT项目利用其现有测试与测量设备的能力，为无线功率Tx和Rx提供全面的测试解决方案。该项目创建了一个基于图1的测试装置，以便在AirFuel射频标准开发过程中提供精确和可操作的反馈。软件与硬件相辅相成，可对单个设备进行精确控制。它还允许通过应用程序接口、命令行和用户友好的网络界面来协调测试。除了测试被测设备（DUT）的一般能力外，该设置还为Rx实现了AirFuel CTS。

图3是网页界面截图，显示AirFuel射频CTS测试之一，即"Rx频率"测试。该测试案例评估了各种功率水平下DUT的频率范围。如图3中黑色窗口所示，信号发生器以不同功率向DUT输入频率。验证设备是否在每个频率和功率电平组合下充电。如果器件在指定条件下充电，则测试成功；否则，视为失败。用户可在界面内配置测试参数、启动测试和监控进度。

图3：测试设置Web-UI包括AirFuel一致性测试规范。

技术展望

一些技术发展预计将塑造WPT和EH的未来。其中一个主要趋势是向更高频率转变，这将带来更小的尺寸和更高的功率传输速率等优势。然而，这一发展也引起了人们对安全、成本和系统复杂性的担忧。

更高频率

尽管相关的路径损耗较高，但目前正在向更高的工作频率过渡。²目前，一些WPT工作主要集中在GSM频段和sub-GHz频率。文献资料和最新市场趋势表明，人们明显倾向于ISM频段，尤其是2.4和5GHz频段，但也有高达60GHz的频段。要理解这种兴趣，有必要考虑更高频率所带来的众多优势。

小型天线和设备

众所周知，天线的尺寸与其发射或接收无线电波的波长有内在联系，λ/2是实现共振和最高效率的最佳天线尺寸。通过提高频率，从而减少波长，可以使天线更小，更适用于移动物联网设备。WPT的早期尝试需要非常大的天线，因为当时很难产生更高的频率。³例如，利用DTV频率（470-770MHz）进行EH就很困难，因为天线尺寸不切实际。⁴

2.4GHz的天线在厘米范围内。这些都可以根据众所周知的设计进行开发。对于较远距离的传输，该频率范围在较高频率的传播衰减和较低频率传输所需的较大尺寸之间表现出极佳的折衷。³

改进的波束赋形功能

较小的天线除了尺寸小之外，还具有波束赋形的优点。在较高频率上进行精确的波束赋形，同时保持适中的天线尺寸，是WPT得到广泛应用的关键。³更锐利的波束非常有利，因为它能带来更高的天线增益，从而增加传输到Rx的功率。这将有效增加传输距离，并抵消较高频率下的较高路径损耗。利用更多单元的发射天线阵列或在更高的载波频率下工作，可以按比例延长传输距离。例如，从2.4GHz过渡到60GHz理论上可将传输距离增加25倍。⁵不过，必须考虑可能的折衷。最重要的是，由于某些电路拓扑结构的低通特性，转换效率会随着工作频率的增加而降低⁶。应对这些挑战对WPT的未来至关重要，因为能够提供高增益窄波束的大型可转向天线阵列有可能使WPT在长距离上得到广泛应用。⁷

辐射安全问题

虽然传统通信系统不会对用户造成任何辐射风险，但必须对WPT系统的较高功率密度进行仔细研究。传输波束越窄，功率密度就越高，很快就会超过FCC等组织规定的人体辐射限值。尤其是在高频率下可实现的极窄波束，这对于实现高天线增益是必不可少的。一项工作⁵强调了考虑波束宽度以确定不安全波束截获距离的重要性。此外，这些计算还取决于适用于信号频率范围、曝光时间和占空比的当地法规。⁸

提高WPT设备的工作频率可以实现更精确的波束赋形，但代价是对人类和动物造成更高的辐射风险。这可以通过实施使波束远离生物体的系统来规避。然而，这种系统是一项重大的技术挑战。Ossia⁹提出的另一种方法是利用逆向性来识别Tx和Rx之间的所有安全路径。这将在电力传输之前使用信标信号来完成。目前，关于辐射式WPT的安全机制仍存在多个未决问题。

结论

WPT和EH并不是新概念。然而，在实施这项技术时却面临着巨大的挑战。主要挑战是端到端效率低，以及确保这些无线系统互操作性的行业协调。要推动这项技术的发展，关键是要了解如何通过传输高PAPR信号来提高射频到直流的转换效率。罗德与施瓦茨通过其原型测试装置积极支持正在进行的标准化工作。向更高频率的转变将使传输波束更窄、设备更小。这可能会对WPT技术进入大众市场起到决定性作用。不过，要克服大多数整流电路在更高频率范围内效率下降的问题，仍需进行大量优化。

参考文献

1. A. Boaventura, A. Collado, N. B. Carvalho and A. Georgiadis, “Optimum Behavior: Wireless Power Transmission System Design Through Behavioral Models and Efficient Synthesis Techniques,” IEEE Microwave Magazine, Vol. 14, No. 2, 2013, pp. 26–35.
2. M. U. Hoque, D. Kumar, Y. Audet and Y. Savaria, “Design and Analysis of a 35 GHz Rectenna System for Wireless Power Transfer to an Unmanned Air Vehicle,” Energies, Vol. 15, No. 1, 2022.
3. W. C. Brown, “The History of Wireless Power Transmission,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-32, No. 9, 1984, pp. 1230–1242.
4. C. Mikeka and H. Arai, “Design Issues in Radio Frequency Energy Harvesting System,” 2011.
5. K. Huang and X. Zhou, “Cutting the Last Wires for Mobile Communications by Microwave Power Transfer,” IEEE Communications Magazine, Vol. 53, No. 6, 2015, pp. 86–93.
6. C. R. Valenta and G. D. Durgin, “Harvesting Wireless Power: Survey of Energy-Harvester Conversion Efficiency in Far-Field, Wireless Power Transfer Systems,” IEEE Microwave Magazine, Vol. 15, No. 4, 2014, pp. 108–120.
7. N. A. Muhammad, N. Seman, N. I. A. Apandi and Y. Li, “Energy Harvesting in Sub-6 GHz and Millimeter Wave Hybrid Networks,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 70, 2021, pp. 4471–4484.
8. I. Prlic, J. Sisko, V. M. Varnai, L. Pavelic and J. Macan, “Wi-Fi Technology and Human Health Impact: A Brief Review of Current Knowledge,” Archives of Industrial Hygiene and Toxicology, Vol. 73, 2022, pp. 94–106.
9. “Unwired: The Blog,” Ossia, Web: www.ossia.com/blog.