介紹

支持射頻 (RF) 的無(wú)線電力傳輸 (WPT) 已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間，但最近低功率電子設(shè)備的發(fā)展和先進(jìn)的波形優(yōu)化技術(shù) [1, 2] 帶來(lái)了廣泛的新應(yīng)用，其中 WPT 可以用于有用。在某些情況下，WPT 比電纜和電池更具吸引力。首先，固定在移動(dòng)物體上的物品，例如安裝在電機(jī)軸上的傳感器，可以從 WPT 技術(shù)中受益，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，隨著時(shí)間的推移，布線會(huì)成為一個(gè)不斷移動(dòng)的問(wèn)題。其次，使用電纜難以訪問(wèn)或維護(hù)成本高昂的物品，例如惡劣環(huán)境中的遠(yuǎn)程傳感器。此外，在室內(nèi)使用且遠(yuǎn)離陽(yáng)光直射的物品可以從 WPT 中受益，而不是充足的太陽(yáng)能。耗電量，

系統(tǒng)總覽

無(wú)線供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化為傳輸端 (TX) 和接收端 (RX)。系統(tǒng)可以是閉環(huán)“主動(dòng)”系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控向 RX 供電以確保優(yōu)化性能和正常運(yùn)行時(shí)間，也可以是沒(méi)有實(shí)時(shí)反饋且效率通常較低的“被動(dòng)”系統(tǒng)。解決方案是否需要有源或無(wú)源系統(tǒng)取決于多種因素，例如范圍、每個(gè)發(fā)射器支持的接收器數(shù)量、部署方案和可靠性要求。

圖 1：TFi 無(wú)線電源網(wǎng)絡(luò) (WPT) 系統(tǒng)概覽

在主要組件塊中，有多個(gè)子系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)和改進(jìn)，以便彼此有效運(yùn)行。TX上的主要子系統(tǒng)如下：

(1) 信號(hào)生成：使用相移鍵控 (PSK) 等數(shù)字調(diào)制技術(shù)，在具有預(yù)定義參考頻率的載波上調(diào)制任意消息。之后，生成的射頻信號(hào)被放大到給定的功率電平。

(2) 波束成形：生成和放大的射頻信號(hào)需要被分成多個(gè)獨(dú)立控制的低功率射頻路徑，稱為通道。每個(gè)通道的輸入 RF 信號(hào)通過(guò)移相器模塊，以獲得與其他通道相比的相對(duì)相移。板載 MCU 根據(jù)從接收器接收到的反饋設(shè)置每個(gè)移相器的設(shè)定點(diǎn)，以使 WPT 吞吐量最大化，即向接收器傳輸?shù)墓β实募訖?quán)和最大化。TransferFi是一家位于新加坡的初創(chuàng)公司，使用內(nèi)部開(kāi)發(fā)的硬件(如圖 2 所示)和軟件平臺(tái)在 WPT 領(lǐng)域領(lǐng)先波束成形技術(shù)。

圖 2：TFi 集成 8 通道 Turin-1 WPT 波束形成器硬件

(3) 放大：根據(jù)工作范圍的不同，各通道的射頻功率在應(yīng)用移相后需要進(jìn)行放大，然后才能推送到天線。有具有數(shù)字或模擬增益控制機(jī)制的射頻功率放大器，但建議使用相位失真最小的放大器以提高波束成形精度。

(4) 天線：各種天線可以用來(lái)傳輸無(wú)線電力，各有優(yōu)缺點(diǎn)。例如，全向天線在所有方向上均等地發(fā)射功率，盡管能量密度較低。定向天線具有更窄的視場(chǎng)，但具有更高的能量密度。正如您可能推斷的那樣，選擇和布置天線是部署場(chǎng)景的一項(xiàng)功能。例如，定向天線在一對(duì)一設(shè)置中非常有效，因?yàn)闊o(wú)需將波束移動(dòng)和聚焦到其他接收器。然而，多接收器場(chǎng)景可以受益于具有更寬視野的多通道全向陣列，以便將能量直接聚焦到特定接收器。

在接收端，主要子系統(tǒng)是

(1) 接收天線：與發(fā)射端類似，接收天線的選擇基于所需的增益和安裝方向。定向天線必須對(duì)準(zhǔn)發(fā)射器以達(dá)到最佳效果，但全向天線不需要朝向任何特定方向。多通道接收器天線陣列也可用于組合射頻功率以驅(qū)動(dòng)更高的負(fù)載。

(2) RF-to-DC Conversion & Storage： RF 信號(hào)必須先整流成直流電壓/電流(請(qǐng)參考[3] 使用RF-to-DC 整流器的通用能量收集系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型) . 由于轉(zhuǎn)換后的直流電壓非常低，因此在存儲(chǔ)到儲(chǔ)能單元之前需要升壓和調(diào)節(jié)。這可以使用現(xiàn)成的電源管理 IC(例如Texas Instruments 的BQ25570)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以使用分立電路(如圖 3 所示的 TransferFi 的 Turin-1 整流器)來(lái)實(shí)現(xiàn)。累積足夠的電荷后，它會(huì)在一個(gè)以所需電壓調(diào)節(jié)方式，以便為 SoC 和/或其他連接的設(shè)備供電。

圖 3：TFi 集成 4 通道 Turin-1 整流器硬件

(3) 無(wú)線反饋通信：為了創(chuàng)建一個(gè)實(shí)時(shí)自適應(yīng)和高效的 WPT 系統(tǒng)，可以采用實(shí)時(shí)反饋環(huán)路，該環(huán)路不斷監(jiān)控傳送到每個(gè)接收器的功率。NRF52系列等低功耗 SoC可用于主動(dòng)測(cè)量讀數(shù)，例如接收到的射頻功率電平、能量存儲(chǔ)單元的充電狀態(tài)以及連接的傳感器讀數(shù)(如果有)。TransferFi 的 OneClick 軟件平臺(tái)使用此類反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行通道學(xué)習(xí)和光束校準(zhǔn)，同時(shí)優(yōu)先考慮多接收器系統(tǒng)中的功率共享。

　　審核編輯：湯梓紅