日本科学家开发出高效的256元无线供电收发器阵列

东京理工大学的研究人员为 5G 通信开发了一种突破性的 256 元无线供电收发器阵列，旨在解决低 SNR 和物理障碍物导致的信号阻塞等难题。该阵列利用波束成形和先进的功率转换技术提高信号质量，扩大网络覆盖范围，尤其是在非视距环境下。通过大幅提高功率转换效率和信噪比，该收发器阵列有望扩大 5G 的可及性和可靠性，从而促进更普遍、更有效的无线通信。

东京理工大学的科学家们为非视距 5G 通信设计了一种创新的 256 元无线供电收发器阵列。这种新颖的设计具有高效的无线电力传输和高功率转换效率，即使在链路阻塞的区域也能增强 5G 网络的覆盖范围。灵活性和覆盖范围的增强有可能使高速、低延迟通信更加普及。

毫米波 5G 通信使用极高频无线电信号（24 至 100 GHz），是下一代无线通信的一项前景广阔的技术，具有高速度、低延迟和大网络容量的特点。然而，当前的 5G 网络面临两大挑战。首先是低信噪比（SNR）。高信噪比是实现良好通信的关键。另一个挑战是链路阻塞，即由于建筑物等障碍物导致发射器和接收器之间的信号中断。

拟议的收发器设计可实现高功率转换效率和转换增益，即使在链路阻塞的地区也能增强 5G 网络的覆盖范围。来源：2024 年 IEEE MTT-S 国际微波研讨会

波束成形是使用毫米波进行长距离通信的一项关键技术，可提高信噪比。这种技术利用传感器阵列将无线电信号聚焦成特定方向的窄波束，类似于将手电筒光束聚焦在一个点上。然而，它仅限于视距通信，即发射器和接收器必须在一条直线上，而且接收到的信号会因障碍物而变差。此外，混凝土和现代玻璃材料也会造成较高的传播损耗。因此，迫切需要一种非视距（NLoS）中继系统来扩大 5G 网络的覆盖范围，尤其是在室内。

为了解决这些问题，东京工业大学（Tokyo Institute of Technology，简称"东京工业"）未来科学技术跨学科研究实验室的白根敦（Atsushi Shirane）副教授领导的研究团队设计了一种新型无线供电中继收发器，用于 28 GHz 毫米波 5G 通信（如图 1 所示）。他们的研究成果发表在《2024 年 IEEE MTT-S 国际微波研讨会论文集》上。

电路板包括砷化镓二极管、平衡集成电路、DPDT 开关集成电路和数字集成电路。该电路从 24GHz WPT 信号产生直流，同时将 28GHz 射频信号下变频为 4GHz 中频信号。资料来源：2024 年 IEEE MTT-S 国际微波研讨会

Shirane在解释他们的研究动机时说："此前，针对NLoS通信，人们探索了两种类型的5G中继：有源类型和无线供电类型。虽然有源中继器即使在整流器阵列较少的情况下也能保持良好的信噪比，但其功耗较高。无线供电型不需要专用电源，但由于转换增益低，需要许多整流器阵列来维持信噪比，而且使用的 CMOS 二极管的功率转换效率低于 10%。我们的设计解决了这些问题，同时还使用了市场上可买到的半导体集成电路 (IC)"。

拟议的收发器由 256 个整流器阵列组成，具有 24 GHz 无线功率传输 (WPT)。这些阵列由分立集成电路（包括砷化镓二极管）、平衡器（连接平衡和不平衡（bal-un）信号线）、DPDT 开关和数字集成电路组成（参见图 2）。值得注意的是，收发器能够同时进行数据和功率传输，将 24 GHz WPT 信号转换为直流电（DC），同时促进 28 GHz 双向传输和接收。24 GHz 信号在每个整流器上单独接收，而 28 GHz 信号则利用波束成形技术进行传输和接收。两个信号可以从相同或不同的方向接收，28 千兆赫信号既可以通过 24 千兆赫先导信号的逆反射传输，也可以从任何方向传输。

测试表明，与传统收发器相比，拟议的收发器可实现 54% 的功率转换效率和 -19 分贝的转换增益，同时还能保持长距离信噪比。此外，它还可实现约 56 毫瓦的发电量，并可通过增加阵列数量进一步提高发电量。这还可以提高发射和接收波束的分辨率。Shirane谈到他们的设备的好处时说："即使在链路受阻的地方，拟议的收发器也能为毫米波5G网络的部署做出贡献，提高安装灵活性并扩大覆盖范围。"

这种新型收发器将使 5G 网络更加普及，让所有人都能享受高速、低延迟的通信。

编译自/scitechdaily