射频无线功率传输设计基础

支持射频 (RF) 的无线功率传输 (WPT) 已经存在很长时间，但是最近低功率电子设备和高级波形优化技术的发展迎来了广泛的新应用，其中 WPT 可以有用。在某些情况下，WPT 比电缆和电池更具吸引力。首先，固定在移动物体上的物品，例如安装在电机轴上的传感器，这可以从 WPT 技术中受益，因为随着时间的推移，布线会成为一个不断移动的问题。其次，在恶劣环境中使用电缆（例如远程传感器）难以访问或维护费用昂贵的物品。此外，在室内使用且远离阳光直射的物品可以从 WPT 中受益，而不是充足的太阳能。耗电量，

系统总览

无线电力传输系统的设计可以简化为传输端 (TX) 和接收端 (RX)。系统可以是闭环“主动”系统，实时监控到 RX 的电力输送以确保优化性能和正常运行时间，也可以是没有实时反馈且效率通常较低的“被动”系统。解决方案是否需要有源或无源系统取决于多种因素，例如范围、每个发射器支持的接收器数量、部署场景和可靠性要求。

图 1：TFi 无线电源网络 (WPT) 系统概览

在主要组件模块中，需要设计和改进多个子系统，以便彼此高效运行。TX上的主要子系统如下：

(1) 信号生成：使用数字调制技术，例如相移键控 (PSK)，在载波上以预定义的参考频率调制任意消息。之后，生成的射频信号被放大到给定的功率电平。

(2) 波束成形：产生和放大的射频信号需要被分成多个独立控制的低功率射频路径，称为信道。每个通道的输入射频信号通过一个移相器模块，以获得与其他通道相比的相对相移。板载 MCU 根据从接收器接收到的反馈来设置每个移相器的设定点，从而使 WPT 吞吐量最大化，即传输到接收器的功率的加权总和最大化。TransferFi是一家位于新加坡的初创公司，使用内部开发的硬件（如图 2 所示）和软件平台在 WPT 中领先波束成形技术。  

图 2：TFi 集成 8 通道 Turin-1 WPT 波束成形器硬件

(3) 放大：根据工作范围的不同，应用移相后的每个通道的射频功率需要放大，然后才能推送到天线。有具有数字或模拟增益控制机制的射频功率放大器，但建议使用具有最小相位失真的放大器以提高波束成形精度。

(4) 天线：可以使用多种天线来传输无​​线电力，各有优缺点。例如，全向天线在所有方向上均等地发射功率，尽管能量密度较低。定向天线具有更窄的视场，但具有更高的能量密度。您可能已经推断出选择和布置天线是部署方案的一个功能。例如，定向天线在一对一设置中非常有效，因为无需移动波束并将其聚焦到其他接收器。然而，多接收器场景可以受益于具有更宽视野的多通道全向阵列，以便将能量直接集中到特定接收器。

在接收端，主要的子系统是

(1) 接收天线：与发射端类似，接收天线的选择是根据所需的增益和安装方向。定向天线必须对准发射器才能获得最佳效果，但全向天线无需朝向任何特定方向。多通道接收器天线阵列还可用于组合射频功率以驱动更高的负载。

(2) RF-to-DC Conversion & Storage： RF 信号必须先整流为 DC 电压/电流（以了解具有 RF-DC 整流器的通用能量收集系统的数学建模） . 由于转换后的直流电压很低，所以在储存在储能单元之前需要进行升压和调节。这可以使用现成的电源管理 IC来实现，例如德州仪器 (TI) 的BQ25570，也可以使用分立电路作为图 3 中所示的 TransferFi 的 Turin-1 整流器来实现。积累足够的电荷后，它会在以所需电压进行调节，以便为 SoC 和/或其他连接的设备供电。

图 3：TFi 集成 4 通道 Turin-1 整流器硬件

(3) 无线反馈通信：为了创建一个实时自适应和高效的 WPT 系统，可以采用实时反馈回路，不断监测传送到每个接收器的功率。NRF52系列等低功耗 SoC可用于主动测量读数，例如接收的射频功率电平、能量存储单元的充电状态以及连接的传感器读数（如果有）。TransferFi 的 OneClick 软件平台将此类反馈数据用于信道学习和波束校准，并在多接收器系统中优先考虑功率共享。

审核编辑：刘清