研究人员称无线供电中继将有助于将5G技术引入智能工厂

东京工业大学的科学家报告称，最近开发的无线供电5G继电器可以加速智能工厂的发展。通过采用较低的无线电力传输工作频率，拟议的继电器设计解决了许多当前的限制，包括范围和效率。反过来，这允许在工业环境中更灵活、更广泛地布置传感器和收发器。

信息时代的标志之一是行业向信息流的更大流动转变。这在高科技工厂和仓库中随处可见，机器人、生产机械和自动车辆中安装了无线传感器和收发器。在许多情况下，5G网络用于协调这些设备之间的操作和通信。

为了避免依赖繁琐的有线电源，传感器和收发器可以通过无线电力传输(WPT)远程供电。然而，传统WPT设计的一个问题是它们以24GHz的频率运行。

在如此高的频率下，传输波束必须非常窄，以避免能量损失。此外，只有在WPT系统和目标设备之间有清晰的视线时才能传输电力。由于5G中继通常用于扩展5G基站的范围，因此WPT需要达到更远的范围，这对24GHz系统来说又是一个挑战。

为了解决WPT的局限性，东京工业大学的一个研究小组想出了一个巧妙的解决方案。在最近的一项研究中，他们在2024年IEEEVLSI技术与电路研讨会上发表了一项研究，他们开发了一种新型5G中继器，可以在5.7GHz的较低频率下进行无线供电。

“通过使用5.7GHz作为WPT频率，我们可以获得比传统24GHzWPT系统更广泛的覆盖范围，从而使更多设备能够同时运行，”资深作者兼副教授AtsushiShirane解释道。

拟议的无线供电中继器旨在充当5G信号的中间接收器和发射器，这些信号可来自5G基站或无线设备。该系统的关键创新是使用整流器型混频器，该混频器可执行4阶次谐波混频，同时还产生直流电。

值得注意的是，混频器将接收到的5.7GHzWPT信号用作本地信号。利用此本地信号以及乘法电路、移相器和功率合成器，混频器将接收到的28GHz信号“下变频”为5.2GHz信号。然后，此5.2GHz信号在内部放大，通过逆过程上变频为28GHz，并重新传输到其预期目的地。

为了驱动这些内部放大器，所提出的系统首先对5.7GHzWPT信号进行整流以产生直流电，该直流电由专用电源管理单元进行管理。这种巧妙的方法具有多种优势，正如Shirane所强调的那样，“由于5.7GHzWPT信号的路径损耗小于24GHz信号，因此可以从整流器中获得更多功率。此外，5.7GHz整流器的损耗低于24GHz整流器，并且可以以更高的功率转换效率运行。”

最后，提出的电路设计允许选择晶体管尺寸、偏置电压、匹配、滤波器的截止频率和负载，以同时最大化转换效率和转换增益。

通过多次实验，研究团队展示了他们提出的继电器的功能。采用标准CMOS技术，单个仅占用1.5毫米x0.77毫米的，在输入功率为10.7dBm时可输出6.45mW的高功率。值得注意的是，可以组合多个以实现更高的功率输出。考虑到其众多优势，提出的5.7GHzWPT系统可以极大地促进智能工厂的发展。

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