这个5G天线，能同时接受数据和电力

自 19 世纪末尼古拉·特斯拉（ Nikola Tesla）尝试过但无济于事以来，寻求以无线方式和远距离传输电力一直是电气工程师的目标。在 1970 年代，NASA 和美国能源部的工程师在千瓦公里范围内的无线电力传输 (WPT：wireless power transfer ) 方面取得了一些显著的成功，他们的努力受到了当时能源危机的推动。然而，随着能量再次变得充足，兴趣减弱了。

现在，随着 5G 的出现及其在毫米波段范围内的高频传输能力，WPT 正在开辟新的机会和方法。东京工业大学的研究人员开发了一种原型 64-element毫米波段相控阵收发器，可以在接收电力的同时发送和接收数据。他们这个设计的最初目的是将收发器用作 5G 中继，然后集成到物联网 (IoT) 设备中。该项目首席研究员 Atsushi Shirane表示，这将使此类设备能够摆脱电池、插头和电缆。结果将是更小、更实用、通信速度更快的设备，并可能降低维护成本。

Shirane 指出，该收发器克服了迄今为止阻碍基于整流天线和阵列整流天线的类似研究工作的两个主要障碍：短传输距离和可以接收功率的固定方向。“更重要的是，”他说，“它是第一款通过使用相移的波束控制实现同时接收电力和通信信号的设备。” Shirane 在今年 6 月于夏威夷檀香山举行的2022 年 IEEE 大规模集成电路技术和电路研讨会上展示了该团队的研究成果。

收发器的正面是一个 64-element相控阵天线，分布在四个象限中。背面有一块柔性印刷电路板，里面装有四个定制的射频集成电路芯片，每个芯片都单独连接到四个天线象限之一。这些芯片集成在一个 8×8 阵列上，作为一个完全无源的单元工作。每个芯片都包含一个移相器以实现光束转向和一个整流器。整流器的电源和通信输出连接到应用设备。

收发器有两种工作模式。

在接收模式下，基站发射 28 GHz 通信信号和 24 GHz WPT 信号，由四个象限天线同时接收并发送到各自的收发芯片。WPT 信号激活设备，通信和电源信号都进行了相移，以实现高达正负 45 度的精细空间光束转向。信号被发送到一个 16 路功率组合器（power combiner ），该组合器将相位对齐并产生一个共同的输出，从而促进更长的传输距离。然后，一个整流器将 WPT 信号转换为直流电以运行应用程序，同时将 28 GHz 通信信号下变频到一个中间频率（例如 4 GHz），以使应用程序更易于管理。

反向过程发生在传输模式中，来自应用程序的 4 GHz 中间信号被上变频到 28 GHz，并以与使用后向反射反向散射相同的方向发送回。

Shirane 解释说，WTP 性能取决于天线元件的数量和基站的输出功率。带有 64 根天线的原型收发器产生 1 毫瓦的功率，它在 4.5 米处继续产生 46% 的输出，即使在正负 45 度的接收角度也是如此。他估计 1,024 个元素的阵列将产生 10 mW。

随着概念验证的建立，研究人员现在正致力于制造具有更多阵列和更高频率的收发器，以提高输出功率以及通信速度和距离。

“作为商业化的第一步，”Shirane 说，“我们的目标是将该技术用作无电池 5G 中继收发器，以扩展毫米波 5G 通信的服务区域覆盖范围。在增加直流发电量后，该收发器也可用于无电池物联网设备。”