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应用於无线充电技术的类三角测量法
 

【作者: Hubregt J. Visser】2019年08月12日 星期一

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多亏了一项运用复合天线的新方法,让物联网装置甚至是智慧型手机,从更远距和视线外(out of sight)完成无线充电的技术正从幻想变成现实。荷兰爱美科(imec)射频能量撷取(RF harvesting)和无线电力传输(wireless power transfer)的资深研究员Huib Visser,说明了其窥探此技术後观察到的现状和未来发展。


随着感应式充电器上市了一段时间,你或许会说:「将无线充电技术应用在智慧型手机已可能达成。」当然,这并非不可能,但是,要描述现今科技,「免用连接器充电(connectorless charging)」这个词可能会比较恰当,因为感应式充电器仍需要待充电装置和充电站之间的紧密接触。这个条件不仅限制了当前技术在智慧型手机上的应用,也让现行方法无法满足物联网装置对充电技术的需求,而这些装置将充斥我们的生活环境。由於5G、工业4.0、智慧城市、智慧建筑和智慧交通等的发展,我们将看到电池供电装置的成长。透过有线连接或短距感应方式对这些装置进行充电,将是不可能的事。相反的,这些装置将需从周围环境来撷取能量。尤其是室内应用,在其中运用光电或热能转换等其他方法时,很快就受到局限,而无线充电技术是等待进一步发展的绝隹候补方法。


迟早有一天,真正的无线充电技术指的会是:在不需直接的视线(line of sight),也不需追踪固定或行动装置的情况下,从更远的距离进行充足电力传输的技术。

到目前为止,没有任何技术进入达到上述两者规范之一的市场。然而,由於爱美科近期的突破,我们可以想见,可能将这些规范实现的未来不那麽遥远了。


受物理定律和政府法规限制

如同无线充电联盟(WPC,Wireless Power Consortium)主席Menno Treffers在其部落格文章〈梦想凭空充电〉中所提到的,人类暴露在射频电磁场的安全限制,可能是导致远距无线充电技术至今未能上市的重要原因之一。物理定律说明了以球面形式扩张的电磁波,其功率密度会随着距离以平方递减。就超低功率(ULP,ultra-low power)装置来说,在此定律影响下,传递结果仍可能是有足够的功率残留在充电站几公尺之外。因此,在此特定背景下,商用解决方案可能已经存在。然而,得以传输充足功率的距离仍待改善。


对物联网装置进行远距充电的结果

早在2018年,爱美科便已发展了一台验证器,在距离3W的有效等向辐射功率发射器(EIRP,Equivalent Isotropic Radiation Power,是传输功率和天线增益的结果)五公尺远时,其连续功率预算达到25μW (以1.5V或3V来说)。就相同功率预算能被获取的距离而言,这和商用装置相比,是两到三倍的提升。

透过将此能量储存在电容器中,每两分钟达成几微秒传输几十毫瓦的功率是有可能的。这个功率就足以唤醒一个射频装置(例如:RF厂商Nordic的低功耗产品)、启动一个感测器来测量资料,以及将这些资料无线传输至接收器。爱美科已在915MHz和245GHz验证上述情景,这两个波段分别是美国和全球地区免申请许可的波段,供工业、科学和医学使用(ISM频段,industry, science and medicine)。


为了得到这些实验结果,爱美科已建立了两个专用的整流天线(rectenna,rectifying antenna)原型机,这些原型确保接收器的功率转换。爱美科对这些原型机采取了有些非典型的系统优化方法。爱美科并不个别优化每个组件(例如:整流器、转换器、电源管理电路……),而是选择了次最隹的整流天线以相对较高的dc电压供电,但在现有的功率波封建立一个通路,以进一步优化电源管理电路。这个做法最後让整体系统表现优於分别优化各基本组件。



图一 : 针对无线充电设置功率转换的两个整流天线原型。(左)针对美国ISM频段915MHz;(右)针对全球ISM频段245GHz。两者的PCB电路板皆和一个微型天线整合。245GHz整流天线由一个接地平面(ground plane)保护,在金属外壳上容许积分。
图一 : 针对无线充电设置功率转换的两个整流天线原型。(左)针对美国ISM频段915MHz;(右)针对全球ISM频段245GHz。两者的PCB电路板皆和一个微型天线整合。245GHz整流天线由一个接地平面(ground plane)保护,在金属外壳上容许积分。

虽然对物联网感测器来说,这些实际功率输出已然充足,但是要供电给诸如智慧型手机等装置还是远远不及的。在接收器端,几??没有多馀的能量可供撷取。为了要获得可对更高功率装置进行充电的功率密度,我们必须提高发射器功率到法律不容许的位准。


设置复合天线来克服对远距输出的功率限制

但是爱美科已经找到一个能克服这些障碍的方法。


藉由在类三角测量的机制中结合复合天线的发射器强度,我们可以建立一个相对较小的球面波,其功率密度够高,既不超越辐射限制,也不「污染」此球面波外的频谱。


图二 : 透过运用搭配复合天线的类三角测量概念(上方),可以建立一个对焦的高功率球面波(右下),而不超过法定的辐射限制。左下:典型的球面广播天线场型。中下:指向性天线(directional antenna)正在5G应用情境中进行研究,但在ISM频段的适用性仍有限。
图二 : 透过运用搭配复合天线的类三角测量概念(上方),可以建立一个对焦的高功率球面波(右下),而不超过法定的辐射限制。左下:典型的球面广播天线场型。中下:指向性天线(directional antenna)正在5G应用情境中进行研究,但在ISM频段的适用性仍有限。

在此设置中,所有的天线可以在法律容许范围内发射出最大功率,但是以不同的时距发射。生成的球面电磁波会分别独立传播(而且受前述提及的功率平方递减影响)。藉由巧妙设计时距,我们可以创造一个所有电磁波同相(in phase)到达的焦点。在此焦点范围,功率密度会彼此相加,产生一个功率密度更高的球面波,此球面波可以设置在待充电电池供电装置的所在地。


以N个天线组成的阵列来说,平均功率(average power)的增益变成N,而峰值功率(peak power)的增益则是N2。所以如果你有两个天线,平均功率会变成原来的两倍、峰值功率则是四倍。这个方法比在5G应用情境中研究的智慧天线还进阶。5G应用情境使用指向性波束(directional beam),但仍是受到法律在ISM频段上的功率限制。


从视线到视线外、从固定式到行动式

利用这个方法,爱美科已经成功进行第一批的实验。即使是处在非理想脉冲和诸多散射存在的非最隹化设定中,这些测试皆证实理论上推定的功率增益,也确认了以下事实透过调谐时距,功率球面泡(power bubbles)能在选定的位置上产生。这样的设置令人看好,但它先前被选中是因为其显而易见的简易性:各天线之间的距离相对较远,以及物件设置是固定的且能预先得知。


现在爱美科正把整个构想发展到下个层次,且正在申请专利。目前进行中的研究包括让天线之间的设置距离更近(如此一来,多个天线可以放在同个基地台),以及让物件不需位在直接的视线中。藉由巧妙的散射解释,以及返回基地台的发射器讯号反射,即使装置位在某个转角,或有物件位於发射器和接受器之间的直接路径,我们还是可以找到办法对装置进行充电。一旦经证实,此特性便成为重要资产,让现实应用得以在同个房间以一个站点对多个(物联网)装置充电,而不受其他邻近物件阻碍。


再更进一步发展,爱美科正开发一方法学,以涵盖待充电装置的无源位置侦测(passive location detection)功能。也就是说,就算待接收的装置电池电力已耗尽,从基地台发出的讯号还是能检索该装置位置,并开始进行充电。一经实证,此种解决方案可能会在智慧型手机充电的情境中变得格外重要,因为人人的确都不希??每次帮手机充电,就要把它放在同个地方。


那麽,要是无缘位置侦测能让充电站侦测并对物联网感测器进行充电,就算这些感测器不在定点?如此便可大幅增加可用功率预算,因而增加能被嵌入在感测器上的智慧程度。

对物联网装置来说,这个特性可能一开始没那麽重要,因为大部分的物联网感测器都会被安装在固定位置(例如:壁挂式空气品质感测器),或者,它们有可能会返回一个已知位置(例如:工业机器人身上的感测器,机器人每次操作完成後都回到其待命位置。)


然而,就物联网感测器而言,位置侦测功能所带来的潜在好处也不应小黥。在物联网系统设计中,功率限制是最严格的规范之一。没有例外,电池供电的感测器须靠单一电池充电维持几年的自律性,例如,在资产追踪或工业制程监督方面。这代表能够传输的资料量必须控制在最小值,遑论可能被嵌入在这些感测器上的计算智慧有更严格限制。


爱美科目前正在改善实验的设置,让这些目标成真,也正积极寻找对发展这些概念和科技有高度兴趣的产业夥伴,将它们发展成可转移至产业解决方案提供者的解决方案。


(本文由爱美科授权刊登,作者Hubregt J. Visser为爱美科Holst Centre资深研究员;编译/吴雅婷)


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