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應用於無線充電技術的類三角測量法
 

【作者: Hubregt J. Visser】   2019年08月12日 星期一

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多虧了一項運用複合天線的新方法,讓物聯網裝置—甚至是智慧型手機,從更遠距和視線外(out of sight)完成無線充電的技術正從幻想變成現實。荷蘭愛美科(imec)射頻能量擷取(RF harvesting)和無線電力傳輸(wireless power transfer)的資深研究員Huib Visser,說明了其窺探此技術後觀察到的現狀和未來發展。


隨著感應式充電器上市了一段時間,你或許會說:「將無線充電技術應用在智慧型手機已可能達成。」當然,這並非不可能,但是,要描述現今科技,「免用連接器充電(connectorless charging)」這個詞可能會比較恰當,因為感應式充電器仍需要待充電裝置和充電站之間的緊密接觸。這個條件不僅限制了當前技術在智慧型手機上的應用,也讓現行方法無法滿足物聯網裝置對充電技術的需求,而這些裝置將充斥我們的生活環境。由於5G、工業4.0、智慧城市、智慧建築和智慧交通等的發展,我們將看到電池供電裝置的成長。透過有線連接或短距感應方式對這些裝置進行充電,將是不可能的事。相反的,這些裝置將需從周圍環境來擷取能量。尤其是室內應用,在其中運用光電或熱能轉換等其他方法時,很快就受到局限,而無線充電技術是等待進一步發展的絕佳候補方法。


遲早有一天,真正的無線充電技術指的會是:在不需直接的視線(line of sight),也不需追蹤固定或行動裝置的情況下,從更遠的距離進行充足電力傳輸的技術。

到目前為止,沒有任何技術進入達到上述兩者規範之一的市場。然而,由於愛美科近期的突破,我們可以想見,可能將這些規範實現的未來不那麼遙遠了。


受物理定律和政府法規限制

如同無線充電聯盟(WPC,Wireless Power Consortium)主席Menno Treffers在其部落格文章〈夢想憑空充電〉中所提到的,人類暴露在射頻電磁場的安全限制,可能是導致遠距無線充電技術至今未能上市的重要原因之一。物理定律說明了以球面形式擴張的電磁波,其功率密度會隨著距離以平方遞減。就超低功率(ULP,ultra-low power)裝置來說,在此定律影響下,傳遞結果仍可能是有足夠的功率殘留在充電站幾公尺之外。因此,在此特定背景下,商用解決方案可能已經存在。然而,得以傳輸充足功率的距離仍待改善。


對物聯網裝置進行遠距充電的結果

早在2018年,愛美科便已發展了一台驗證器,在距離3W的有效等向輻射功率發射器(EIRP,Equivalent Isotropic Radiation Power,是傳輸功率和天線增益的結果)五公尺遠時,其連續功率預算達到25μW (以1.5V或3V來說)。就相同功率預算能被獲取的距離而言,這和商用裝置相比,是兩到三倍的提升。

透過將此能量儲存在電容器中,每兩分鐘達成幾微秒傳輸幾十毫瓦的功率是有可能的。這個功率就足以喚醒一個射頻裝置(例如:RF廠商Nordic的低功耗產品)、啟動一個感測器來測量資料,以及將這些資料無線傳輸至接收器。愛美科已在915MHz和245GHz驗證上述情景,這兩個波段分別是美國和全球地區免申請許可的波段,供工業、科學和醫學使用(ISM頻段,industry, science and medicine)。


為了得到這些實驗結果,愛美科已建立了兩個專用的整流天線(rectenna,rectifying antenna)原型機,這些原型確保接收器的功率轉換。愛美科對這些原型機採取了有些非典型的系統優化方法。愛美科並不個別優化每個組件(例如:整流器、轉換器、電源管理電路……),而是選擇了次最佳的整流天線—以相對較高的dc電壓供電,但在現有的功率波封建立一個通路,以進一步優化電源管理電路。這個做法最後讓整體系統表現優於分別優化各基本組件。



圖一 : 針對無線充電設置功率轉換的兩個整流天線原型。(左)針對美國ISM頻段915MHz;(右)針對全球ISM頻段245GHz。兩者的PCB電路板皆和一個微型天線整合。245GHz整流天線由一個接地平面(ground plane)保護,在金屬外殼上容許積分。
圖一 : 針對無線充電設置功率轉換的兩個整流天線原型。(左)針對美國ISM頻段915MHz;(右)針對全球ISM頻段245GHz。兩者的PCB電路板皆和一個微型天線整合。245GHz整流天線由一個接地平面(ground plane)保護,在金屬外殼上容許積分。

雖然對物聯網感測器來說,這些實際功率輸出已然充足,但是要供電給諸如智慧型手機等裝置還是遠遠不及的。在接收器端,幾乎沒有多餘的能量可供擷取。為了要獲得可對更高功率裝置進行充電的功率密度,我們必須提高發射器功率到法律不容許的位準。


設置複合天線來克服對遠距輸出的功率限制

但是愛美科已經找到一個能克服這些障礙的方法。


藉由在類三角測量的機制中結合複合天線的發射器強度,我們可以建立一個相對較小的球面波,其功率密度夠高,既不超越輻射限制,也不「汙染」此球面波外的頻譜。


圖二 : 透過運用搭配複合天線的類三角測量概念(上方),可以建立一個對焦的高功率球面波(右下),而不超過法定的輻射限制。左下:典型的球面廣播天線場型。中下:指向性天線(directional antenna)正在5G應用情境中進行研究,但在ISM頻段的適用性仍有限。
圖二 : 透過運用搭配複合天線的類三角測量概念(上方),可以建立一個對焦的高功率球面波(右下),而不超過法定的輻射限制。左下:典型的球面廣播天線場型。中下:指向性天線(directional antenna)正在5G應用情境中進行研究,但在ISM頻段的適用性仍有限。

在此設置中,所有的天線可以在法律容許範圍內發射出最大功率,但是以不同的時距發射。生成的球面電磁波會分別獨立傳播(而且受前述提及的功率平方遞減影響)。藉由巧妙設計時距,我們可以創造一個所有電磁波同相(in phase)到達的焦點。在此焦點範圍,功率密度會彼此相加,產生一個功率密度更高的球面波,此球面波可以設置在待充電電池供電裝置的所在地。


以N個天線組成的陣列來說,平均功率(average power)的增益變成N,而峰值功率(peak power)的增益則是N2。所以如果你有兩個天線,平均功率會變成原來的兩倍、峰值功率則是四倍。這個方法比在5G應用情境中研究的智慧天線還進階。5G應用情境使用指向性波束(directional beam),但仍是受到法律在ISM頻段上的功率限制。


從視線到視線外、從固定式到行動式

利用這個方法,愛美科已經成功進行第一批的實驗。即使是處在非理想脈衝和諸多散射存在的非最佳化設定中,這些測試皆證實理論上推定的功率增益,也確認了以下事實—透過調諧時距,功率球面泡(power bubbles)能在選定的位置上產生。這樣的設置令人看好,但它先前被選中是因為其顯而易見的簡易性:各天線之間的距離相對較遠,以及物件設置是固定的且能預先得知。


現在愛美科正把整個構想發展到下個層次,且正在申請專利。目前進行中的研究包括讓天線之間的設置距離更近(如此一來,多個天線可以放在同個基地台),以及讓物件不需位在直接的視線中。藉由巧妙的散射解釋,以及返回基地台的發射器訊號反射,即使裝置位在某個轉角,或有物件位於發射器和接受器之間的直接路徑,我們還是可以找到辦法對裝置進行充電。一旦經證實,此特性便成為重要資產,讓現實應用得以在同個房間以一個站點對多個(物聯網)裝置充電,而不受其他鄰近物件阻礙。


再更進一步發展,愛美科正開發一方法學,以涵蓋待充電裝置的無源位置偵測(passive location detection)功能。也就是說,就算待接收的裝置電池電力已耗盡,從基地台發出的訊號還是能檢索該裝置位置,並開始進行充電。一經實證,此種解決方案可能會在智慧型手機充電的情境中變得格外重要,因為人人的確都不希望每次幫手機充電,就要把它放在同個地方。


那麼,要是無緣位置偵測能讓充電站偵測並對物聯網感測器進行充電,就算這些感測器不在定點?如此便可大幅增加可用功率預算,因而增加能被嵌入在感測器上的智慧程度。

對物聯網裝置來說,這個特性可能一開始沒那麼重要,因為大部分的物聯網感測器都會被安裝在固定位置(例如:壁掛式空氣品質感測器),或者,它們有可能會返回一個已知位置(例如:工業機器人身上的感測器,機器人每次操作完成後都回到其待命位置。)


然而,就物聯網感測器而言,位置偵測功能所帶來的潛在好處也不應小覷。在物聯網系統設計中,功率限制是最嚴格的規範之一。沒有例外,電池供電的感測器須靠單一電池充電維持幾年的自律性,例如,在資產追蹤或工業製程監督方面。這代表能夠傳輸的資料量必須控制在最小值,遑論可能被嵌入在這些感測器上的計算智慧有更嚴格限制。


愛美科目前正在改善實驗的設置,讓這些目標成真,也正積極尋找對發展這些概念和科技有高度興趣的產業夥伴,將它們發展成可轉移至產業解決方案提供者的解決方案。


(本文由愛美科授權刊登,作者Hubregt J. Visser為愛美科Holst Centre資深研究員;編譯/吳雅婷)


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