Nature Communications：哈工大祁嘉然教授团队在微波无线输能领域取得新进展- 大数跨境

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Nature Communications：哈工大祁嘉然教授团队在微波无线输能领域取得新进展

两江科技评论

2024-04-03

导读：近日，哈工大电信学院祁嘉然教授团队在微波无线输能领域取得新进展，提出了一种紧凑的无线电力传输框架。

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撰稿|由课题组供稿

导读

近日，哈工大电信学院祁嘉然教授团队在微波无线输能领域取得新进展，提出了一种紧凑的无线电力传输框架。该框架的核心组件包括一个平面波馈源和一个两比特相位可重构的透射超构表面，两者构成了一个多波束可重构的无线能量发射机。该发射机具有亚波长（0.8倍工作波长）剖面，其整体尺寸与27寸液晶显示器相当。通过联合深度学习驱动的环境传感器，该无线能量发射机能够对多个运动中的设备进行检测和定位，并完成对这些设备同时传输无线能量和信息。受益于其低成本和紧凑性等优点，该框架有望推动基于超构表面的无线电力传输装置的产品化和商用化。相关成果以《基于两比特紧凑可重构透射式超构表面的智能无线能量传输》（Intelligent Wireless Power Transfer via a 2-bit Compact Reconfigurable Transmissive-Metasurface-Based Router）为题发表在《自然·通信》（Nature Communications）上。

研究背景

随着5G、物联网等无线通信技术的发展，无线设备的大规模部署需要无线网络具有自配置能力。然而，电池供电在面对无线网络中设备能量供给问题中面临着困难与挑战，例如人为更换大量设备电池费时费力、废弃电池不易处理且对环境不友好。为设备提供长期、稳定和可持续的能量供应、降低人工成本等无线网络发展的新需求也应运而生。无线输能是一项具有广袤前景的输能技术，因为它可以在无电缆的情况下实现电力传输，为各种新型设备带来了可能性，如可移动性、无线缆性和永久性能源供应。满足无线网络的基础设施（如通信基站）以及在复杂生产生活环境（如家居环境和工业厂房）中设备的可持续性、远距离能量供给是对当前无线输能领域提出的新发展要求。无线输能网络首先要面临的是在复杂的电磁环境中大量设备共存的问题，包括但不限于无人外卖快递配送车、各种无线传感器和扫地机器人等。这些设备往往随机出现和消失在环境中。此外，有限的空间（如室内）则需要无线设备的微型化和集成化，这就意味着无线输能设备需要具有轻、薄、重量低等特性。无线网络迭代也使得无线频谱越来越拥挤，频谱短缺的问题也亟需解决。因此，具备同时传输无线信息和能量的无线输能设备将更受青睐。

研究亮点

祁嘉然教授团队针对上述问题提出了一种基于可重构透射式超构表面的紧凑无线输能框架，如图1所示。该框架由四部分组成，分别是近场平面波馈源、两比特可重构透射式超构表面、环境传感器和智能计算单元。与传统的馈源（如喇叭天线、微带天线）不同，近场平面波馈源可以在近场区域生成近似于平面波振幅和相位的均匀波前，可以在近场条件下完成对超构表面的激励，如图2所示。这使得系统剖面能够有效地降低到亚波长尺度，相比于使用传统馈源的激励方案降低了一个数量级。近场平面波馈源由两个部分组成，分别是加载了2×2天线阵列的人工磁导体和一个部分反射面。人工磁导体和部分反射面构成了一个法布里-珀罗谐振腔。通过2×2天线阵列注入到法布里-珀罗谐振腔内的微波能量会通过部分反射面进行多次辐射同向叠加，在腔体外部形成近似于平面波的波前。两比特可重构透射式超构表面则是一个时空调制的可编程超构表面，其由13×13个结构单元组成，如图3。该结构单元采用了接收-发射架构，通过集成在表面的四个开关二极管能够提供两比特可调的局部相位。通过对开关二极管施加两个不同的电压，每个单元格能在透射振幅保持几乎不变的条件下实现0°、90°、180°和270°等4种不同的相位切换。近场平面波馈源和可重构透射式超构表面结合形成一个无线能量发射机，其整体尺寸接近于一个27寸的液晶显示器，能够向多个目标（如智能手机和无人机）传送无线能量。环境传感器被用来收集未知的目标数量和位置等动态信息。智能计算单元处理来自传感器的信息，然后生成一个特定相位模式以控制无线能量发射机。在无需人为干预的情况下，该无线能量发射机可以在随机的环境中实现智能多目标的无线能量传输。在图4中，研究团队演示了使用该无线能量发射机对多个LED灯、手机和充电宝等日常设备进行充电。此外，研究团队还使用该无线能量发射机进行了携能通信的演示，如图4所示。实验充分展现了该框架的应用潜力。

图1 紧凑型无线输能框架及其应用场景示意图

图2 近场平面波馈源及其性质。(a)近场平面波馈源原理图；(b)部分反射面和人工磁导体的结构单元及两者的振幅和相位响应；(c) 近场平面波馈仿真和实测的反射系数S₁₁对比；(d)和(e)分别为部分反射面的顶部和底部视图；(f) 和(g)分别为人工磁导体的顶部和底部视图；(f) 近场平面波馈源的组装测试图；(i)和(j) 分别为仿真的近场平面波馈源振幅和相位分布；(k)和(l) 分别为实测的近场平面波馈源振幅和相位分布。

图3 可重构透射式超构表面及其性能分析。(a)可重构透射式超构表面实物图及其结构单元细节。(b)仿真的透射振幅和相位。(c)测量透射振幅和相位。(f)状态1、(g)状态2、(h)状态3和(i)状态4的电流路径示意图。×字表示开关二极管截止，O表示开关二极管导通。圆角矩形对应90°延迟线。可重构透射式超构表面的焦斑|E|²: (j)单焦斑和(k)多焦斑，其中第一排为仿真结果，第二排为实测结果。

图4 无线输能和携能通信实验。(a)实验装置示意图。无线能量传输的静态(b)和动态(c)实验结果。(d)和(e)为三目标动态无线输能，设置其中两个目标为被充电设备，一个目标为非充电设备。(f)对移动中的智能手机进行充电。(b)-(f)中的插图是对应的无线输能相位模式。(g)携能通信实验：点亮LED灯的同时接收“哈工大校徽”。图中展示了完整的接收过程。