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东京工业大学要在空中同时传输5G和电力

2022-06-14 14:50:47 东京工业大学 阅读:
东京工业大学的研究人员创造了一种同时传输电力和 5G 信号的设备。这款 5G 网络信号收发器采用全无线供电,在大距离和角度下具有高功率转换效率。

手机等移动通信的高速化,使我们在日常生活中提供语音通话、互联网连接、视频观看/分发等各种服务成为可能。在 5G 和下一代移动通信系统 6G 时代,基于XR 技术连接现实世界和虚拟世界的服务将变得司空见惯。为了支持新时代更大的数据流量,5G正在推动在传统的sub 6 GHz频段之外使用毫米波频段。在日本,28GHz 频段被分配给毫米波频段 5G,超过 10Gbps 的无线通信是可行的。wegednc

使用毫米波段时,可以避开狭窄的频率,实现高速通信,但另一方面,无线电波的直线性强,因此难以绕过建筑物等障碍物,通信面积有限。即使在使用 sub 6 GHz 频段时,基站和中继器也以几十米的间隔安装,但需要更密集和更详细的安装。wegednc

但由于安装电源而对安装位置的限制也成为问题,由于一般的毫米波波段中继器至少消耗几瓦到几十瓦的电力,因此难以用电池操作它,并且需要确保电源和安装设备。因此,中继器的安装位置受到限制,安装成本可能会增加。wegednc

在此背景下, 毫米波无线电力传输作为物联网解决方案的潜力终于被东京工业大学的研究人员利用,他们创造了一种同时传输电力和 5G 信号的设备。这款 5G 网络信号收发器采用全无线供电,在大距离和角度下具有高功率转换效率。wegednc

自从 Nikola Tesla 首次提出无线传输电力的想法以来,已经有多种努力将这一概念用于不同的应用。wegednc

一种新的方法是使用 5G 网络。随着 5G 网络开始上线,物联网网络的规模预计会随之增加。由于网络上有如此多的设备,因此越来越需要制造能够处理 5G 信号的无线供电设备。此类设备的生产面临着许多无线供电设备面临的相同障碍——传输距离短和接收电力的固定方向。wegednc

现在,由东京工业大学(Tokyo Tech)副教授领导的一个科学家团队报告了一种用于 5G 网络的无线供电发射器-接收器的生产,它克服了这两个问题。wegednc

他们的研究成果在 2022 年 IEEE VLSI 技术和电路研讨会上发表。 Shirane 博士解释说:“毫米波无线电力传输系统是大规模物联网的一个有前途的解决方案,但它一直受到技术问题的阻碍。因此,我们能够通过生产效率高的 5G 收发器取得突破。大角度和距离。”wegednc

本研究研制的“毫米波段相控阵无线电”的最大特点是可以通过波束控制同时接收无线电力传输和无线通信信号。迄今为止报道的无线电力传输接收器不具备波束控制特性,或者即使具备,也只能在窄波束角度范围内使用。通过解决该问题,可以延长距离并扩大无线电力传输和无线通信。wegednc

该无线电支持28GHz频段的无线通信信号的发送和接收,同时在ISM频段的24GHz频段进行无线电力传输[条款9] 。作为一个用例,它可以用作屏蔽的中继器,方法是将此无线电连接到可以作为无线电波屏蔽的墙壁或窗户的两侧。wegednc

在这台收发器中,研究人员设计了一种新的天线集成移相器,它使用点对称天线对来更有效地发射和接收大范围的无线电波(图 1)。wegednc

以往移相器仅由电路组成,但本研究将不同馈电位置的点对称天线配对,用开关切换两根天线,作为180°移相器工作。这使得可以减少移相器的损耗。此外,点对称天线对能够在水平和垂直方向上进行波束控制。结果,在不降低无线电力传输效率的情况下,实现了低损耗和二维宽范围无线电波传输/接收。wegednc

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图 1.使用设计的点对称天线对的天线/电路集成传输装置wegednc

在发送时,可以通过新设计的递归反向散射技术在与接收信号的到达方向相同的方向上发送无线通信信号。通过使用这种技术,可以在所需方向上形成波束作为被动操作,而无需功耗和中继通信。wegednc

原型无线电配备了一个 4 芯片无线电 IC,每个芯片集成 16 个收发器,并配置为 64 元件相控阵无线电(图 2)。为了能够贴附在各种地方,收音机板采用了LCP柔性板和刚性板的混合配置,具有优异的高频特性。该无线 IC 采用硅 CMOS 工艺制造,尺寸小至 1.8 mm x 1.0 mm,可以低成本大量生产。wegednc

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图 2.原型毫米波段相控阵无线电和无线 ICwegednc

测量评估在接收 28 GHz 频段的无线电通信和 24 GHz 频段的无线电功率传输时,在水平和垂直方向上实现了 ± 45° 的波束转向特性。我们使用天线测量和评估了 OTA (Over The Air)  ,并成功地使用64QAM调制信号进行了无线通信的传输和接收。wegednc

这项研究的结果是,当接收无线电力传输时从 0° 到 45° 执行波束转向时,可以将过去恶化到百分之几的发电功率保持在 46%(图 3) 。即使与相同的发电量相比,距离也增加了一倍以上。wegednc

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图 3.与以往研究的比较wegednc

该团队生产的发射器-接收器是同类产品中的第一款。wegednc

该设备有两种模式,接收模式和发射模式。wegednc

在接收模式下,设备接收5G信号和毫米波功率信号,该电源信号激活设备并为其供电,然后,设备进入传输模式,并以与最初接收信号相同的方向发回 5G 信号。wegednc

因此,与当前大多数室内物联网设备不同,这样的设备无需单独的插头即可轻松通信并成为物联网的一部分。该设备可以在很宽的角度和距离范围内发电,因此不会受到以前无线供电设备所面临的挑战的影响。wegednc

使用像这样的小型设备,只需很少的维护和额外的基础设施,物联网网络就可以轻松扩展。wegednc

Shirane 博士总结道:“这是世界上第一次通过波束控制同时接收电力和通信信号。我们坚信这样的技术可以彻底改变物联网网络,并使其摆脱今天束缚它的束缚。”wegednc

参考链接:無線電力伝送と無線通信双方に同時対応するミリ波帯フェーズドアレイ無線機の開発に成功;Demi Xia编译wegednc

责编:Demi
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