引言

遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)線電力傳輸（WPT）是一項(xiàng)重大突破性技術(shù)，它將支持許多預(yù)期中泛在的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用，而這些應(yīng)用與第五代（5G）、第六代（6G）及以上無(wú)線生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)。整流天線是整流電路和天線的組合，是遠(yuǎn)場(chǎng)WPT系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組件。然而，緊湊型應(yīng)用設(shè)備需要更小的集成整流天線，這些天線要同時(shí)具有大的電磁波捕獲能力、高交流（AC）到直流（DC）轉(zhuǎn)換效率，及促進(jìn)多功能無(wú)線性能的作用。

在本研究中，澳大利亞悉尼科技大學(xué)藺煒研究團(tuán)隊(duì)綜述了各種整流天線的小型化技術(shù)，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(huán)和貼片整流天線、介質(zhì)負(fù)載整流天線和電小尺寸近場(chǎng)諧振寄生整流天線。

文中總結(jié)了它們的性能特征，并與研究人員之前開(kāi)發(fā)的被證明更適合IoT應(yīng)用的電小尺寸惠更斯整流天線進(jìn)行比較。例如，如本研究所演示，它們經(jīng)過(guò)定制可以成為無(wú)電池IoT傳感器。與電池供電設(shè)備相比，無(wú)電池的無(wú)線供電設(shè)備體積更小、重量更輕。

此外，它們對(duì)環(huán)境友好，因此具有顯著的社會(huì)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(shè)計(jì)的無(wú)線供電IoT傳感器以及雙功能HLP整流天線和天線系統(tǒng)。

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

無(wú)線電力傳輸（WPT）技術(shù)能夠?qū)㈦姶牛‥M）能量從電源傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備的負(fù)載，而無(wú)需任何導(dǎo)線或物理接觸。WPT比傳統(tǒng)的有線供電系統(tǒng)更安全、更可靠，特別是在采礦和天然氣勘探等工業(yè)活動(dòng)中的應(yīng)用。

此外，隨著第五代（5G）、第六代（6G）和其他無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展，WPT對(duì)于當(dāng)前和未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)已變得極為重要

。預(yù)計(jì)未來(lái)無(wú)處不在的無(wú)線供電IoT設(shè)備將不再對(duì)當(dāng)前壽命短、體積大和不可降解化學(xué)電池有需求。WPT是一種極具吸引力的綠色技術(shù)，已經(jīng)引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

WPT的概念可以追溯到19世紀(jì)末尼古拉?特斯拉的實(shí)驗(yàn)。他首次發(fā)明了諧振感應(yīng)近場(chǎng)WPT技術(shù)，并成功地以無(wú)線方式點(diǎn)亮了燈泡。遠(yuǎn)場(chǎng)WPT的歷史可以追溯到20世紀(jì)60年代。

太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星（SPS）、無(wú)線供電的飛機(jī)和高空平臺(tái)是WPT技術(shù)遠(yuǎn)距離應(yīng)用的例子。

21世紀(jì)以來(lái)，隨著應(yīng)用電磁學(xué)科學(xué)和工程更深入和更快地發(fā)展，WPT技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于許多商業(yè)電子產(chǎn)品，如無(wú)線充電AppleTM產(chǎn)品、電動(dòng)牙刷、射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)和電動(dòng)汽車。

根據(jù)其獨(dú)特的運(yùn)行機(jī)制，WPT系統(tǒng)可分為兩大類：近場(chǎng)和諧振中程磁耦合系統(tǒng)，以及遠(yuǎn)場(chǎng)EM波功率傳輸系統(tǒng)。

磁耦合系統(tǒng)通常采用線圈通過(guò)磁場(chǎng)傳遞能量。這些系統(tǒng)的物理特性僅支持短距離WPT。實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離WPT（從數(shù)百米到數(shù)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(jìn)的典型遠(yuǎn)場(chǎng)WPT系統(tǒng)相關(guān)的功率流圖。發(fā)射天線發(fā)射由交流（AC）電源供電的EM波。位于發(fā)射天線遠(yuǎn)場(chǎng)的接收器捕獲發(fā)射的EM波，并通過(guò)整流電路將捕獲的AC能量轉(zhuǎn)換為直流（DC）功率。

實(shí)現(xiàn)時(shí)間最長(zhǎng)的WPT無(wú)線電力傳輸來(lái)自太空衛(wèi)星；衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池板收集太陽(yáng)光（EM波），其微波發(fā)射器將能量發(fā)射到地球表面，由整流天線陣列（即SPS系統(tǒng)）捕獲。

圖1.由EM波、天線和整流器促進(jìn)的遠(yuǎn)場(chǎng)WPT。

遠(yuǎn)場(chǎng)WPT是在即將到來(lái)的5G和未來(lái)無(wú)線世代中實(shí)現(xiàn)無(wú)電池IoT生態(tài)系統(tǒng)的主要支持技術(shù)。由于最近超低功率電子技術(shù)的重大進(jìn)步，WPT的發(fā)展機(jī)會(huì)現(xiàn)已廣泛存在。例如，僅由無(wú)線保真（WiFi）信號(hào)供電的無(wú)電池手機(jī)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(dá)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(jìn)行傳播。

圖2展示了用于智慧農(nóng)業(yè)和耕種的無(wú)線供電IoT傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用示例。許多IoT傳感器可以部署在單個(gè)發(fā)射器（功率信標(biāo)）周圍，該發(fā)射器本身由可再生能源供電。這種安排對(duì)環(huán)境友好，需要的人工干預(yù)和勞動(dòng)力大大減少。此外，這種類型的無(wú)電池生態(tài)系統(tǒng)將有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和質(zhì)量。

從IoT傳感器自動(dòng)收集的數(shù)據(jù)由它們傳輸回基站，基站也充當(dāng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。這些數(shù)據(jù)將包括對(duì)作物至關(guān)重要的信息，如土壤pH值、含水量、溫度和濕度。據(jù)此可以對(duì)其進(jìn)行分析以做出最佳決策，例如，何時(shí)種植和何時(shí)收獲。考慮到預(yù)期將有大量IoT傳感器以及與此應(yīng)用相關(guān)的現(xiàn)行電池成本和尺寸，遠(yuǎn)場(chǎng)WPT技術(shù)非常適用于未來(lái)的智慧農(nóng)業(yè)和其他無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖2.應(yīng)用示例——用于智慧農(nóng)業(yè)的無(wú)線供電IoT傳感系統(tǒng)。

遠(yuǎn)場(chǎng)WPT是實(shí)現(xiàn)許多預(yù)期與5G、6G及其他無(wú)線生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)的IoT應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。整流天線是任何遠(yuǎn)場(chǎng)WPT系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組件。

在本研究中，澳大利亞悉尼科技大學(xué)藺煒研究團(tuán)隊(duì)描述了一系列高性能電小型惠更斯整流天線的開(kāi)發(fā)，展示了惠更斯線極化（HLP）和圓極化（HCP）整流天線系統(tǒng)。這些HLP和HCP整流天線通過(guò)受超材料激發(fā)的近場(chǎng)諧振寄生（NFRP）元件和元件偶極天線與緊湊、高效的整流器無(wú)縫結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

薄型HLP整流天線采用三層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。超薄HLP整流天線是使用單個(gè)基板實(shí)現(xiàn)的。兩個(gè)系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了近90%的AC-DC轉(zhuǎn)換效率。

本研究描述了兩個(gè)HLP整流天線的改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電的溫度和光傳感器閾值報(bào)警系統(tǒng)。通過(guò)將兩個(gè)HLP子系統(tǒng)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(yīng)HLP系統(tǒng)相同的三層薄型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。它的兩個(gè)HLP子系統(tǒng)與一個(gè)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(zhuǎn)換效率受到這個(gè)簡(jiǎn)單的交叉偶極子元件的限制。最大AC-DC轉(zhuǎn)換效率大于90%，這是通過(guò)用創(chuàng)新的延遲環(huán)路版本替換不平衡交叉偶極子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在意識(shí)到正交HLP元件彼此高度隔離的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種用于無(wú)線信息和功率傳輸（SWIPT）應(yīng)用的雙功能HLP系統(tǒng)，一個(gè)是HLP子系統(tǒng)執(zhí)行WPT功能；另一個(gè)是執(zhí)行通信功能。

最后，由4個(gè)相同的超薄、電小HLP整流天線組成的兩個(gè)線性均勻整流天線陣列被認(rèn)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?fù)浼稍谝黄?。這些元件在DC系統(tǒng)中獨(dú)立作用，它們各自的DC輸出并聯(lián)連接，在其輸出端口產(chǎn)生大的組合電流。這些元件在RF系統(tǒng)中同相組合，產(chǎn)生指向低功率的WPT信標(biāo)以捕獲其EM波的定向光束，從而有效地形成一個(gè)大的組合功率，并將其傳送到單個(gè)整流器。

開(kāi)發(fā)的小型惠更斯整流天線及其形成的線性陣列是用于未來(lái)無(wú)線生態(tài)系統(tǒng)中無(wú)線供電IoT應(yīng)用的理想選項(xiàng)。與通常使用的傳統(tǒng)電偶極子（ED）系統(tǒng)相比，它們的單向、寬邊輻射場(chǎng)具有直接的顯著優(yōu)勢(shì)。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(wú)線功率捕獲能力，同時(shí)還具有高AC-DC轉(zhuǎn)換效率，并且易于以低成本制造。

審核編輯：劉清