中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
自適應無(wú)線(xiàn)能量傳輸（Adaptive wireless power transmission，簡(jiǎn)稱(chēng)AWPT）技術(shù)是集無(wú)線(xiàn)傳能、無(wú)線(xiàn)通信與感知定位一體化的重要創(chuàng )新，它通過(guò)目標感知和環(huán)境交互實(shí)現智能化調整能量傳輸參數（如波束焦點(diǎn)、傳輸功率等），從而優(yōu)化無(wú)線(xiàn)能量傳輸效率。與傳統無(wú)線(xiàn)充電方式相比，AWPT技術(shù)能夠顯著(zhù)提高無(wú)線(xiàn)能量傳輸效率，適應動(dòng)態(tài)、復雜的應用場(chǎng)景，如移動(dòng)設備、無(wú)人機、智能家居及可穿戴設備等。它不僅能推動(dòng)綠色能源可持續發(fā)展的進(jìn)程，減少對傳統有線(xiàn)電源的依賴(lài)，還為物聯(lián)網(wǎng)、智能設備及先進(jìn)技術(shù)（如無(wú)人駕駛、智能機器人等）提供穩定可靠的能源供應，并在未來(lái)智能技術(shù)的普及中具有重要的應用潛力。
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精確近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)定位、自適應無(wú)線(xiàn)能量傳輸、高效無(wú)線(xiàn)能量收集等問(wèn)題，構建了基于雙頻超構表面CNN近場(chǎng)定位的自適應無(wú)線(xiàn)傳能系統，實(shí)現同時(shí)的目標感知定位和波束調控。該研究充分利用數字編碼超構表面對電磁波的靈活調控特性，將無(wú)線(xiàn)能量實(shí)時(shí)、高效地聚焦到動(dòng)態(tài)的終端設備上，實(shí)現無(wú)電池供電的感知、計算和通信。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）系統上實(shí)現了3mm分辨率的近場(chǎng)定位精度。該系統充分發(fā)揮了數字編碼超構表面在目標感知和電磁調控方面的優(yōu)勢，具備高集成度、高精度、低成本等特點(diǎn)，促進(jìn)了信息超構表面往多功能和智能化方向發(fā)展。該研究是面向無(wú)線(xiàn)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）、信息超構表面、智能無(wú)人機等領(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 基于雙頻超構表面CNN近場(chǎng)定位的自適應無(wú)線(xiàn)傳能系統
構建雙頻可編程超構表面
研究人員設計了一款雙頻共口徑的可編程超構表面，用于實(shí)現全雙工的輻射調控和目標感知。其中16×16陣列(工作在5.8 GHz)用于對大功率電磁波的靈活調控；邊緣L型陣列(工作在11.6 GHz)用于接收來(lái)自終端設備的反饋信號，通過(guò)時(shí)空編碼技術(shù)實(shí)現精確的近場(chǎng)定位。該L型陣列的引入在促進(jìn)超構表面智能化的同時(shí)，并不會(huì )顯著(zhù)增加陣面的口徑，便于與現有超構表面設備進(jìn)行集成，為單一功能的設備進(jìn)行賦能。
設計無(wú)線(xiàn)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換，從而為傳感器終端進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電，實(shí)現無(wú)電池的環(huán)境數據感知和計算，并將感知的數據通過(guò)藍牙進(jìn)行上傳。所設計的射頻整流器在將射頻能量轉換成直流的同時(shí)，將產(chǎn)生的二階諧波（頻率為11.6 GHz）作為反饋信號進(jìn)行高效輸出，因此該整流器也被稱(chēng)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(xiàn)和11.6 GHz的發(fā)射天線(xiàn)進(jìn)行了共口徑設計，從而實(shí)現了全雙工的收發(fā)一體。實(shí)驗結果表明，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，能夠為傳感器、藍牙等模塊提供足夠的能源供應，實(shí)現無(wú)線(xiàn)供電的感知、計算和通信一體化系統。針對未來(lái)6G大規模的物聯(lián)網(wǎng)設備部署，該研究有望在極端場(chǎng)景下為設備的運行提供電力保障。
圖2 無(wú)線(xiàn)供電的傳感器終端設計與性能評估
基于CNN的無(wú)線(xiàn)近場(chǎng)定位
為了在SISO系統上實(shí)現精確的近場(chǎng)定位，研究人員利用雙頻超構表面上的L型陣列，對來(lái)自終端設備的定位信號進(jìn)行時(shí)空編碼調制，產(chǎn)生的時(shí)空編碼諧波分布可以作為位置坐標的特征信息。這種非線(xiàn)性的對應關(guān)系通過(guò)CNN進(jìn)行學(xué)習和表征，在前期完成網(wǎng)絡(luò )訓練的基礎上，終端的位置信息可以通過(guò)CNN的快速分類(lèi)精確獲取。該方法不僅降低了硬件復雜度，還顯著(zhù)改善近場(chǎng)定位的計算開(kāi)銷(xiāo)。
圖3 基于CNN的無(wú)線(xiàn)近場(chǎng)定位
自適應動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)能量聚焦傳輸
基于全雙工的目標定位和波束聚焦，研究人員開(kāi)展了自適應無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)驗。無(wú)線(xiàn)供電的傳感器終端分別沿著(zhù)“X”、“D”、“U”三個(gè)不同軌跡進(jìn)行移動(dòng)，當終端偏離能量焦點(diǎn)后，超構表面能夠對其位置進(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)驗表明，98%的樣本實(shí)現了精確定位，并且穩定的能源供應支持傳感器設備的正常運行，實(shí)現了無(wú)電池的環(huán)境感知。該研究為無(wú)線(xiàn)傳能、感知、通信一體化研究奠定了理論和架構的基礎。
圖4 自適應無(wú)線(xiàn)定位與無(wú)線(xiàn)能量傳輸實(shí)驗
