簡述無線電能與信息同步傳輸技術

武警士官學校 趙天宇

無線供電技術作為傳統線纜式供電的替代方案，在產品體積、接口壽命、交互友好等方面具有無可比擬的優越性。而現代通信技術則隨著第五代移動通信技術5G和物聯網技術的逐步落地而迎來一輪新的發展高潮。二者的結合即無線電能與信息的同步傳輸技術，將會是未來電力電子學科與數字通信學科共同的研究熱點。

本文主要梳理了無線電能與信息同步傳輸技術的發展歷史，并介紹了不同場景下，基于不同方案的無線電能與信息同步傳輸技術原理及工作特性。

1 無線電能傳輸與無線通信技術簡介

無線電能傳輸技術這一概念早在19世紀就已由匈牙利科學家特斯拉提出，并在當時已經開展相關實驗。隨后在2007年由麻省理工學院Marin Soljacic團隊利用磁共振技術成功地在2m距離外點亮一只60W燈泡，這一成果使得產業界和學界開始真正重視無線電能傳輸這一面向未來的電能傳輸方式，隨后包括新西蘭奧克蘭大學教授John Boys團隊、國內重慶大學孫躍教授團隊等學者均在無線電能傳輸領域開展了深入研究。

而無線通信技術同樣可以上溯至19世紀，最早的無線通信技術即為貝爾等人所發明的光電話，但由于其受到天氣和環境影響較大，且收發端之間不能有障礙物阻擋光線，因此并沒有得到更廣泛的應用。而現代通信所依賴的電磁載波技術則由意大利科學家馬可尼于1895年發明，并逐步發展至今天的5G蜂窩通信技術。

電磁波在電能變換和現代通信兩個不同領域內分別扮演著能量和信息的載體角色。電能變換領域內，研究者所關心的是電能傳輸功率與效率，并不希望作為載體的電磁波承載額外的通信功能；而在通信領域內，研究者所關心的則是電磁波所承載的信息是否準確傳遞，并不關心作為載體的電磁波本身是否得到有效利用，從而都造成了不同程度的浪費。因此若能實現無線電能與信號的同步傳輸，將有效提高電磁載波利用率，更可以為未來物聯網時代海量的電子產品和傳感器提供集成化的供電與通信方案。

2 無線電能與信息同步傳輸技術簡介及分類

從帶寬的角度分析可知，無線電能傳輸系統屬于典型的窄帶系統，如圖1(a)所示，電能傳輸功率和效率在收發側全諧振狀態時達到峰值，而頻率的偏移會造成電能傳輸能力的下降。與之相反的是無線通信系統屬于寬帶系統，根據香農公式可知，信道容量與系統帶寬正相關，更高的帶寬可以換取更大的傳輸容量和通信速率，如圖1(b)所示。因此由以上分析可以看出，若要實現無線電能與信息同步傳輸，其核心問題在于協調不同系統對帶寬的需求引發的矛盾。

圖1(a) 窄帶系統示意圖

圖1(b) 寬帶系統示意圖

現今主流的無線電能與信息同步傳輸(Simultaneous Wireless Power and Information Transmission,SWPIT)根據傳輸場景和實現方式的不同，如圖2所示大體可以分為以下幾種：遠場射頻能量收集、近場磁耦合、近場電場耦合，其中近場磁耦合又可以根據磁場作用方式的區別分為感應式磁耦合和諧振式磁耦合。遠場與近場的劃分主要依據的是收發端之間距離，遠場一般指傳輸距離大于電磁波一個波長距離以上的場景，近場則一般指傳輸距離小于1/2個電磁波波長以下的場景。最常見的遠場場景包括廣播通信、基站通信、藍牙通信等，其工作頻率一般較高，處于射頻域內，因此又稱為射頻通信。而近場場景一般包括NFC、RFID以及一系列無線充電場景等，工作頻率范圍較大，橫跨射頻域和低頻域。

圖2 SWPIT系統分類

遠場射頻能量收集工作原理如圖3所示，由發射側和接收側兩部分構成，發射側由直流電源作為能量輸入，經過微波功率轉換產生射頻功率信號，經由發射天線以輻射形式發射，接收側由接收天線接收空間中電磁波，經整流穩壓后供直流負載使用。由于電磁波傳輸過程中不可避免地發生散射和損耗，因此接收側單位面積上接收到的功率相比發射功率有不同程度衰減，因此為了提高能量傳輸效率，應當提高收發天線定向性與增益。若要實現電能與信號的同步傳輸，學界主流方案是采用“功率動態分配”方法(Dynamic Power Splitting,DPS)，將接收天線接收到的能量進行動態分配，大部分功率信號用于能量收集，小部分功率信號用于信息解調，隨之而演變出兩種細分方法，分別是對能量在時域和頻域上進行分配，時域分配方法即對能量收集和信號解調進行時分復用，在某一時刻下系統要么在進行電能收集，要么在進行信號解調，這種方法結構簡單，便于系統集成，但電能傳輸效率略低于頻域分配法，且不是真正意義上的“同步傳輸”。而頻域分配方法則是采用超窄帶調制(Ultra Narrow Band Modulation)策略，使得傳輸信號頻譜在頻域上呈現“頻譜樹”和“頻譜草”特點，即絕大部分能量分布于主瓣。從而可以將“頻譜樹”的能量用于能量收集，“頻譜草”用于信號解調。這一設計優點在于能量集中，可以獲得更高的能量收集功率，且不存在時域分割，屬于真正意義上的“同步傳輸”，缺點在于對調制解調電路設計要求大大提高，且為收發天線的設計增加了難度。

圖3 遠場SWPIT示意圖

近場電場耦合式無線電能傳輸技術大多依賴極板間的電容效應來完成電能傳輸。其工作原理如圖4所示，US所產生的交流電能經由P1、P2構成的電容和P3、P4構成的電容以及負載構成回路進行傳輸。負載與電源之間僅由電容極板間的電場耦合，這一方法與采用磁場耦合相比，消除了電磁輻射降低了EMI，安全性能高，抗偏移能力較強等優勢，但傳輸距離近、體積巨大等劣勢同樣顯而易見，目前針對近場電場耦合式傳輸技術的研究相對較少。

圖4 近場電場耦合式SWPIT示意圖

近場磁耦合式SWPIT則是目前研究最為廣泛，應用前景也最為明確的一種技術。無論感應式磁耦合還是諧振式磁耦合方式，其工作原理均如圖5所示，依賴收發端線圈間耦合磁場建立能量和信號傳輸通路。磁耦合感應式SWPIT傳輸由于不發生諧振，只依賴線圈之間通過空氣或磁芯形成的耦合通路，因此要求傳輸距離較近，一般為mm級，感應式電能傳輸效率極高，可以達到95%以上，但受限于傳輸距離和線圈設計極限，難以提高傳輸功率。并且由于傳輸距離很近，顯然不適用于絕大多數通信場景，因此一般常用作植入式醫療設備的通信供電裝置。磁耦合諧振式SWPIT依賴發射側和接收側形成的磁共振，在收發線圈之間形成了損耗極小，定向性較高的能量鏈路，因此大大提高了傳輸距離和傳輸功率，可以廣泛應用于手機充電、電動汽車與電網互動(V2G)等大中功率場景。

圖5 近場磁耦合SWPIT示意圖

磁耦合式SWPIT實現通信的方式大體可以分為兩類，一類是采用信號注入式，其思路與傳統電力線載波(Power Line Communication,PLC)相類似，在發射側通過注入高頻調制信號到發射回路中，構造額外的信號收發線圈形成信號鏈路或是采用時分復用策略，使收發線圈諧振頻率在高頻與低頻間切換，在接收側通過高通濾波器獲得接收到的高頻信號進行還原。這一方法的好處在于信號傳輸不會對能量傳輸造成影響，能量傳輸過程相對穩定，缺點在于額外的信號注入、發射和還原裝置使得系統結構復雜，且時分復用方法既降低了能量傳輸效率，又不能實現真正意義上的“同步傳輸”。另一類是直接調制策略，對發射側交流輸入電源的幅值、頻率、相位、占空比、波形形狀等變量進行調制，其本質是為了拓展系統的帶寬，使得系統從單純能量傳輸的無帶寬系統變成具有一定帶寬的窄帶系統，從而在犧牲一小部分傳輸效率的前提下，獲得信號傳輸所必需的帶寬。這其中由于頻率和相位調制更易做到和能量傳輸解耦，因此得到較為廣泛的應用，常見的調制策略包括幅移鍵控(Amplitude Shift Keying,ASK)、頻移鍵控(Frequency Shift Keying,FSK)調制、相移鍵控(Phase Shift Keying,PSK)以及由這些策略衍生出的調制方法。

結語：隨著物聯網技術的逐步落地，大規模的基于微型集成電路和傳感器的小型電子設備將會廣泛應用于人們的生產生活場景中，如何解決這些設備低功耗超長待機的供電需求和多機交互乃至人機交互的需求，將會是擺在產業界面前的難題之一，而本文所介紹的SWPIT技術則是解決這一痛點問題的一個有力抓手，但目前也應當清醒地看到當前SWPIT技術的諸多弊病，如全雙工問題、多頻段多通道帶來的阻抗特性問題等等。相信隨著科技界與產業界的繼續合作，SWPIT技術將成為新一代物聯網社會得以實現的可靠保障。