引言

遠場無線電力傳輸（WPT）是一項重大突破性技術，它將支持許多預期中泛在的物聯網（IoT）應用，而這些應用與第五代（5G）、第六代（6G）及以上無線生態系統相關。整流天線是整流電路和天線的組合，是遠場WPT系統中最關鍵的組件。然而，緊湊型應用設備需要更小的集成整流天線，這些天線要同時具有大的電磁波捕獲能力、高交流（AC）到直流（DC）轉換效率，及促進多功能無線性能的作用。

在本研究中，澳大利亞悉尼科技大學藺煒研究團隊綜述了各種整流天線的小型化技術，如曲折平面倒F天線（PIFA）整流天線、小型化的基于單極和偶極的整流天線、分形環和貼片整流天線、介質負載整流天線和電小尺寸近場諧振寄生整流天線。

文中總結了它們的性能特征，并與研究人員之前開發的被證明更適合IoT應用的電小尺寸惠更斯整流天線進行比較。例如，如本研究所演示，它們經過定制可以成為無電池IoT傳感器。與電池供電設備相比，無電池的無線供電設備體積更小、重量更輕。

此外，它們對環境友好，因此具有顯著的社會效益。本研究介紹了一系列高性能電小型惠更斯整流天線，包括惠更斯線極化（HLP）和圓極化（HCP）整流天線、基于這些設計的無線供電IoT傳感器以及雙功能HLP整流天線和天線系統。

最后，考慮兩個線性均勻HLP整流天線陣列系統，以獲得更為顯著的大型無線電力捕獲。示例陣列說明了如何有效將它們與DC或射頻（RF）功率進行合成，從而促進IoT的實際應用。

無線電力傳輸（WPT）技術能夠將電磁（EM）能量從電源傳輸到電子設備的負載，而無需任何導線或物理接觸。WPT比傳統的有線供電系統更安全、更可靠，特別是在采礦和天然氣勘探等工業活動中的應用。

此外，隨著第五代（5G）、第六代（6G）和其他無線技術的快速發展，WPT對于當前和未來的物聯網（IoT）系統已變得極為重要

。預計未來無處不在的無線供電IoT設備將不再對當前壽命短、體積大和不可降解化學電池有需求。WPT是一種極具吸引力的綠色技術，已經引起了工業界和學術界的廣泛關注。

WPT的概念可以追溯到19世紀末尼古拉?特斯拉的實驗。他首次發明了諧振感應近場WPT技術，并成功地以無線方式點亮了燈泡。遠場WPT的歷史可以追溯到20世紀60年代。

太陽能發電衛星（SPS）、無線供電的飛機和高空平臺是WPT技術遠距離應用的例子。

21世紀以來，隨著應用電磁學科學和工程更深入和更快地發展，WPT技術已被廣泛應用于許多商業電子產品，如無線充電AppleTM產品、電動牙刷、射頻識別（RFID）系統和電動汽車。

根據其獨特的運行機制，WPT系統可分為兩大類：近場和諧振中程磁耦合系統，以及遠場EM波功率傳輸系統。

磁耦合系統通常采用線圈通過磁場傳遞能量。這些系統的物理特性僅支持短距離WPT。實現長距離WPT（從數百米到數千公里）的唯一方法是傳輸和接收由EM波攜帶的能量。

圖1展示了與由EM波促進的典型遠場WPT系統相關的功率流圖。發射天線發射由交流（AC）電源供電的EM波。位于發射天線遠場的接收器捕獲發射的EM波，并通過整流電路將捕獲的AC能量轉換為直流（DC）功率。

實現時間最長的WPT無線電力傳輸來自太空衛星；衛星的太陽能電池板收集太陽光（EM波），其微波發射器將能量發射到地球表面，由整流天線陣列（即SPS系統）捕獲。

圖1.由EM波、天線和整流器促進的遠場WPT。

遠場WPT是在即將到來的5G和未來無線世代中實現無電池IoT生態系統的主要支持技術。由于最近超低功率電子技術的重大進步，WPT的發展機會現已廣泛存在。例如，僅由無線保真（WiFi）信號供電的無電池手機已獲得成功演示。

此外，已有研究表明許多IoT傳感器的功耗可以達到0.1 mW以下，這意味著WPT基站將能夠以非常低的功率水平進行傳播。

圖2展示了用于智慧農業和耕種的無線供電IoT傳感器系統的應用示例。許多IoT傳感器可以部署在單個發射器（功率信標）周圍，該發射器本身由可再生能源供電。這種安排對環境友好，需要的人工干預和勞動力大大減少。此外，這種類型的無電池生態系統將有助于提高農業生產力和質量。

從IoT傳感器自動收集的數據由它們傳輸回基站，基站也充當數據網關。這些數據將包括對作物至關重要的信息，如土壤pH值、含水量、溫度和濕度。據此可以對其進行分析以做出最佳決策，例如，何時種植和何時收獲。考慮到預期將有大量IoT傳感器以及與此應用相關的現行電池成本和尺寸，遠場WPT技術非常適用于未來的智慧農業和其他無線傳感器網絡。

圖2.應用示例——用于智慧農業的無線供電IoT傳感系統。

遠場WPT是實現許多預期與5G、6G及其他無線生態系統相關的IoT應用的關鍵技術。整流天線是任何遠場WPT系統中最關鍵的組件。

在本研究中，澳大利亞悉尼科技大學藺煒研究團隊描述了一系列高性能電小型惠更斯整流天線的開發，展示了惠更斯線極化（HLP）和圓極化（HCP）整流天線系統。這些HLP和HCP整流天線通過受超材料激發的近場諧振寄生（NFRP）元件和元件偶極天線與緊湊、高效的整流器無縫結合來實現。

薄型HLP整流天線采用三層結構實現。超薄HLP整流天線是使用單個基板實現的。兩個系統都實現了近90%的AC-DC轉換效率。

本研究描述了兩個HLP整流天線的改進，以實現無線供電的溫度和光傳感器閾值報警系統。通過將兩個HLP子系統正交組合并具有90o的必要相位差，本研究還展示了HCP整流天線。

第一種是采用與相應HLP系統相同的三層薄型設計實現的。它的兩個HLP子系統與一個不平衡的交叉偶極天線集成在一起，以獲得必要的90o相位差。HCP整流天線的AC-DC轉換效率受到這個簡單的交叉偶極子元件的限制。最大AC-DC轉換效率大于90%，這是通過用創新的延遲環路版本替換不平衡交叉偶極子來實現的。

在意識到正交HLP元件彼此高度隔離的基礎上，開發了一種用于無線信息和功率傳輸（SWIPT）應用的雙功能HLP系統，一個是HLP子系統執行WPT功能；另一個是執行通信功能。

最后，由4個相同的超薄、電小HLP整流天線組成的兩個線性均勻整流天線陣列被認為具有更大的EM波捕獲能力。這些陣列與DC和射頻（RF）組合拓撲集成在一起。這些元件在DC系統中獨立作用，它們各自的DC輸出并聯連接，在其輸出端口產生大的組合電流。這些元件在RF系統中同相組合，產生指向低功率的WPT信標以捕獲其EM波的定向光束，從而有效地形成一個大的組合功率，并將其傳送到單個整流器。

開發的小型惠更斯整流天線及其形成的線性陣列是用于未來無線生態系統中無線供電IoT應用的理想選項。與通常使用的傳統電偶極子（ED）系統相比，它們的單向、寬邊輻射場具有直接的顯著優勢。此外，如本研究所展示的，它們尺寸緊湊，具有大角度和廣角無線功率捕獲能力，同時還具有高AC-DC轉換效率，并且易于以低成本制造。

審核編輯：劉清