简述无线电能与信息同步传输技术

武警士官学校 赵天宇

无线供电技术作为传统线缆式供电的替代方案，在产品体积、接口寿命、交互友好等方面具有无可比拟的优越性。而现代通信技术则随着第五代移动通信技术5G和物联网技术的逐步落地而迎来一轮新的发展高潮。二者的结合即无线电能与信息的同步传输技术，将会是未来电力电子学科与数字通信学科共同的研究热点。

本文主要梳理了无线电能与信息同步传输技术的发展历史，并介绍了不同场景下，基于不同方案的无线电能与信息同步传输技术原理及工作特性。

1 无线电能传输与无线通信技术简介

无线电能传输技术这一概念早在19世纪就已由匈牙利科学家特斯拉提出，并在当时已经开展相关实验。随后在2007年由麻省理工学院Marin Soljacic团队利用磁共振技术成功地在2m距离外点亮一只60W灯泡，这一成果使得产业界和学界开始真正重视无线电能传输这一面向未来的电能传输方式，随后包括新西兰奥克兰大学教授John Boys团队、国内重庆大学孙跃教授团队等学者均在无线电能传输领域开展了深入研究。

而无线通信技术同样可以上溯至19世纪，最早的无线通信技术即为贝尔等人所发明的光电话，但由于其受到天气和环境影响较大，且收发端之间不能有障碍物阻挡光线，因此并没有得到更广泛的应用。而现代通信所依赖的电磁载波技术则由意大利科学家马可尼于1895年发明，并逐步发展至今天的5G蜂窝通信技术。

电磁波在电能变换和现代通信两个不同领域内分别扮演着能量和信息的载体角色。电能变换领域内，研究者所关心的是电能传输功率与效率，并不希望作为载体的电磁波承载额外的通信功能；而在通信领域内，研究者所关心的则是电磁波所承载的信息是否准确传递，并不关心作为载体的电磁波本身是否得到有效利用，从而都造成了不同程度的浪费。因此若能实现无线电能与信号的同步传输，将有效提高电磁载波利用率，更可以为未来物联网时代海量的电子产品和传感器提供集成化的供电与通信方案。

2 无线电能与信息同步传输技术简介及分类

从带宽的角度分析可知，无线电能传输系统属于典型的窄带系统，如图1(a)所示，电能传输功率和效率在收发侧全谐振状态时达到峰值，而频率的偏移会造成电能传输能力的下降。与之相反的是无线通信系统属于宽带系统，根据香农公式可知，信道容量与系统带宽正相关，更高的带宽可以换取更大的传输容量和通信速率，如图1(b)所示。因此由以上分析可以看出，若要实现无线电能与信息同步传输，其核心问题在于协调不同系统对带宽的需求引发的矛盾。

图1(a) 窄带系统示意图

图1(b) 宽带系统示意图

现今主流的无线电能与信息同步传输(Simultaneous Wireless Power and Information Transmission,SWPIT)根据传输场景和实现方式的不同，如图2所示大体可以分为以下几种：远场射频能量收集、近场磁耦合、近场电场耦合，其中近场磁耦合又可以根据磁场作用方式的区别分为感应式磁耦合和谐振式磁耦合。远场与近场的划分主要依据的是收发端之间距离，远场一般指传输距离大于电磁波一个波长距离以上的场景，近场则一般指传输距离小于1/2个电磁波波长以下的场景。最常见的远场场景包括广播通信、基站通信、蓝牙通信等，其工作频率一般较高，处于射频域内，因此又称为射频通信。而近场场景一般包括NFC、RFID以及一系列无线充电场景等，工作频率范围较大，横跨射频域和低频域。

图2 SWPIT系统分类

远场射频能量收集工作原理如图3所示，由发射侧和接收侧两部分构成，发射侧由直流电源作为能量输入，经过微波功率转换产生射频功率信号，经由发射天线以辐射形式发射，接收侧由接收天线接收空间中电磁波，经整流稳压后供直流负载使用。由于电磁波传输过程中不可避免地发生散射和损耗，因此接收侧单位面积上接收到的功率相比发射功率有不同程度衰减，因此为了提高能量传输效率，应当提高收发天线定向性与增益。若要实现电能与信号的同步传输，学界主流方案是采用“功率动态分配”方法(Dynamic Power Splitting,DPS)，将接收天线接收到的能量进行动态分配，大部分功率信号用于能量收集，小部分功率信号用于信息解调，随之而演变出两种细分方法，分别是对能量在时域和频域上进行分配，时域分配方法即对能量收集和信号解调进行时分复用，在某一时刻下系统要么在进行电能收集，要么在进行信号解调，这种方法结构简单，便于系统集成，但电能传输效率略低于频域分配法，且不是真正意义上的“同步传输”。而频域分配方法则是采用超窄带调制(Ultra Narrow Band Modulation)策略，使得传输信号频谱在频域上呈现“频谱树”和“频谱草”特点，即绝大部分能量分布于主瓣。从而可以将“频谱树”的能量用于能量收集，“频谱草”用于信号解调。这一设计优点在于能量集中，可以获得更高的能量收集功率，且不存在时域分割，属于真正意义上的“同步传输”，缺点在于对调制解调电路设计要求大大提高，且为收发天线的设计增加了难度。

图3 远场SWPIT示意图

近场电场耦合式无线电能传输技术大多依赖极板间的电容效应来完成电能传输。其工作原理如图4所示，US所产生的交流电能经由P1、P2构成的电容和P3、P4构成的电容以及负载构成回路进行传输。负载与电源之间仅由电容极板间的电场耦合，这一方法与采用磁场耦合相比，消除了电磁辐射降低了EMI，安全性能高，抗偏移能力较强等优势，但传输距离近、体积巨大等劣势同样显而易见，目前针对近场电场耦合式传输技术的研究相对较少。

图4 近场电场耦合式SWPIT示意图

近场磁耦合式SWPIT则是目前研究最为广泛，应用前景也最为明确的一种技术。无论感应式磁耦合还是谐振式磁耦合方式，其工作原理均如图5所示，依赖收发端线圈间耦合磁场建立能量和信号传输通路。磁耦合感应式SWPIT传输由于不发生谐振，只依赖线圈之间通过空气或磁芯形成的耦合通路，因此要求传输距离较近，一般为mm级，感应式电能传输效率极高，可以达到95%以上，但受限于传输距离和线圈设计极限，难以提高传输功率。并且由于传输距离很近，显然不适用于绝大多数通信场景，因此一般常用作植入式医疗设备的通信供电装置。磁耦合谐振式SWPIT依赖发射侧和接收侧形成的磁共振，在收发线圈之间形成了损耗极小，定向性较高的能量链路，因此大大提高了传输距离和传输功率，可以广泛应用于手机充电、电动汽车与电网互动(V2G)等大中功率场景。

图5 近场磁耦合SWPIT示意图

磁耦合式SWPIT实现通信的方式大体可以分为两类，一类是采用信号注入式，其思路与传统电力线载波(Power Line Communication,PLC)相类似，在发射侧通过注入高频调制信号到发射回路中，构造额外的信号收发线圈形成信号链路或是采用时分复用策略，使收发线圈谐振频率在高频与低频间切换，在接收侧通过高通滤波器获得接收到的高频信号进行还原。这一方法的好处在于信号传输不会对能量传输造成影响，能量传输过程相对稳定，缺点在于额外的信号注入、发射和还原装置使得系统结构复杂，且时分复用方法既降低了能量传输效率，又不能实现真正意义上的“同步传输”。另一类是直接调制策略，对发射侧交流输入电源的幅值、频率、相位、占空比、波形形状等变量进行调制，其本质是为了拓展系统的带宽，使得系统从单纯能量传输的无带宽系统变成具有一定带宽的窄带系统，从而在牺牲一小部分传输效率的前提下，获得信号传输所必需的带宽。这其中由于频率和相位调制更易做到和能量传输解耦，因此得到较为广泛的应用，常见的调制策略包括幅移键控(Amplitude Shift Keying,ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)调制、相移键控(Phase Shift Keying,PSK)以及由这些策略衍生出的调制方法。

结语：随着物联网技术的逐步落地，大规模的基于微型集成电路和传感器的小型电子设备将会广泛应用于人们的生产生活场景中，如何解决这些设备低功耗超长待机的供电需求和多机交互乃至人机交互的需求，将会是摆在产业界面前的难题之一，而本文所介绍的SWPIT技术则是解决这一痛点问题的一个有力抓手，但目前也应当清醒地看到当前SWPIT技术的诸多弊病，如全双工问题、多频段多通道带来的阻抗特性问题等等。相信随着科技界与产业界的继续合作，SWPIT技术将成为新一代物联网社会得以实现的可靠保障。