中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
自適應(yīng)無(wú)線能量傳輸（Adaptive wireless power transmission，簡(jiǎn)稱AWPT）技術(shù)是集無(wú)線傳能、無(wú)線通信與感知定位一體化的重要?jiǎng)?chuàng)新，它通過(guò)目標(biāo)感知和環(huán)境交互實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)整能量傳輸參數(shù)（如波束焦點(diǎn)、傳輸功率等），從而優(yōu)化無(wú)線能量傳輸效率。與傳統(tǒng)無(wú)線充電方式相比，AWPT技術(shù)能夠顯著提高無(wú)線能量傳輸效率，適應(yīng)動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，如移動(dòng)設(shè)備、無(wú)人機(jī)、智能家居及可穿戴設(shè)備等。它不僅能推動(dòng)綠色能源可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程，減少對(duì)傳統(tǒng)有線電源的依賴，還為物聯(lián)網(wǎng)、智能設(shè)備及先進(jìn)技術(shù)（如無(wú)人駕駛、智能機(jī)器人等）提供穩(wěn)定可靠的能源供應(yīng)，并在未來(lái)智能技術(shù)的普及中具有重要的應(yīng)用潛力。
近日，西安電子科技大學(xué)李龍教授課題組與東南大學(xué)崔鐵軍院士課題組針對(duì)精確近場(chǎng)無(wú)線定位、自適應(yīng)無(wú)線能量傳輸、高效無(wú)線能量收集等問(wèn)題，構(gòu)建了基于雙頻超構(gòu)表面CNN近場(chǎng)定位的自適應(yīng)無(wú)線傳能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)的目標(biāo)感知定位和波束調(diào)控。該研究充分利用數(shù)字編碼超構(gòu)表面對(duì)電磁波的靈活調(diào)控特性，將無(wú)線能量實(shí)時(shí)、高效地聚焦到動(dòng)態(tài)的終端設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)無(wú)電池供電的感知、計(jì)算和通信。研究人員利用整流過(guò)程（RF-DC）中產(chǎn)生的二階諧波作為定位信號(hào)進(jìn)行反饋，通過(guò)聯(lián)合時(shí)空編碼技術(shù)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），首次在單發(fā)單收（SISO）系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了3mm分辨率的近場(chǎng)定位精度。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了數(shù)字編碼超構(gòu)表面在目標(biāo)感知和電磁調(diào)控方面的優(yōu)勢(shì)，具備高集成度、高精度、低成本等特點(diǎn)，促進(jìn)了信息超構(gòu)表面往多功能和智能化方向發(fā)展。該研究是面向無(wú)線傳能、感知、通信一體化領(lǐng)域的探索，將推動(dòng)6G物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、信息超構(gòu)表面、智能無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域的發(fā)展。
該成果發(fā)表在Nature Communications，題為“Adaptive wireless-powered network based on CNN near-field positioning by a dual-band metasurface”。西安電子科技大學(xué)李龍教授和東南大學(xué)崔鐵軍院士為論文的共同通訊作者，夏得校博士生為第一作者。
圖1 基于雙頻超構(gòu)表面CNN近場(chǎng)定位的自適應(yīng)無(wú)線傳能系統(tǒng)
構(gòu)建雙頻可編程超構(gòu)表面
研究人員設(shè)計(jì)了一款雙頻共口徑的可編程超構(gòu)表面，用于實(shí)現(xiàn)全雙工的輻射調(diào)控和目標(biāo)感知。其中16×16陣列(工作在5.8 GHz)用于對(duì)大功率電磁波的靈活調(diào)控；邊緣L型陣列(工作在11.6 GHz)用于接收來(lái)自終端設(shè)備的反饋信號(hào)，通過(guò)時(shí)空編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確的近場(chǎng)定位。該L型陣列的引入在促進(jìn)超構(gòu)表面智能化的同時(shí)，并不會(huì)顯著增加陣面的口徑，便于與現(xiàn)有超構(gòu)表面設(shè)備進(jìn)行集成，為單一功能的設(shè)備進(jìn)行賦能。
設(shè)計(jì)無(wú)線供電的傳感器終端
研究人員通過(guò)將射頻能量進(jìn)行高效收集和直流轉(zhuǎn)換，從而為傳感器終端進(jìn)行無(wú)線供電，實(shí)現(xiàn)無(wú)電池的環(huán)境數(shù)據(jù)感知和計(jì)算，并將感知的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行上傳。所設(shè)計(jì)的射頻整流器在將射頻能量轉(zhuǎn)換成直流的同時(shí)，將產(chǎn)生的二階諧波（頻率為11.6 GHz）作為反饋信號(hào)進(jìn)行高效輸出，因此該整流器也被稱之為諧波反饋式整流器。為了提升該接收終端的集成度，研究人員將5.8 GHz的接收天線和11.6 GHz的發(fā)射天線進(jìn)行了共口徑設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了全雙工的收發(fā)一體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，充分利用諧波進(jìn)行反饋定位并不會(huì)降低整流器的效率，能夠?yàn)閭鞲衅?、藍(lán)牙等模塊提供足夠的能源供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電的感知、計(jì)算和通信一體化系統(tǒng)。針對(duì)未來(lái)6G大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署，該研究有望在極端場(chǎng)景下為設(shè)備的運(yùn)行提供電力保障。
圖2 無(wú)線供電的傳感器終端設(shè)計(jì)與性能評(píng)估
基于CNN的無(wú)線近場(chǎng)定位
為了在SISO系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)精確的近場(chǎng)定位，研究人員利用雙頻超構(gòu)表面上的L型陣列，對(duì)來(lái)自終端設(shè)備的定位信號(hào)進(jìn)行時(shí)空編碼調(diào)制，產(chǎn)生的時(shí)空編碼諧波分布可以作為位置坐標(biāo)的特征信息。這種非線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)CNN進(jìn)行學(xué)習(xí)和表征，在前期完成網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，終端的位置信息可以通過(guò)CNN的快速分類精確獲取。該方法不僅降低了硬件復(fù)雜度，還顯著改善近場(chǎng)定位的計(jì)算開(kāi)銷。
圖3 基于CNN的無(wú)線近場(chǎng)定位
自適應(yīng)動(dòng)態(tài)無(wú)線能量聚焦傳輸
基于全雙工的目標(biāo)定位和波束聚焦，研究人員開(kāi)展了自適應(yīng)無(wú)線能量傳輸實(shí)驗(yàn)。無(wú)線供電的傳感器終端分別沿著“X”、“D”、“U”三個(gè)不同軌跡進(jìn)行移動(dòng)，當(dāng)終端偏離能量焦點(diǎn)后，超構(gòu)表面能夠?qū)ζ湮恢眠M(jìn)行重新定位，并將能量焦點(diǎn)進(jìn)行重新聚焦，從而在終端移動(dòng)的過(guò)程中維持高的能量傳輸效率。實(shí)驗(yàn)表明，98%的樣本實(shí)現(xiàn)了精確定位，并且穩(wěn)定的能源供應(yīng)支持傳感器設(shè)備的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了無(wú)電池的環(huán)境感知。該研究為無(wú)線傳能、感知、通信一體化研究奠定了理論和架構(gòu)的基礎(chǔ)。
圖4 自適應(yīng)無(wú)線定位與無(wú)線能量傳輸實(shí)驗(yàn)
