东京理工大学的科学家报告称，最近开发的一种无线供电的5G继电器可以加速智能工厂的发展。通过采用较低的工作频率进行无线电力传输，所提出的继电器设计解决了当前的许多限制，包括范围和效率。反过来，这允许在工业环境中更通用和更广泛地布置传感器和收发器。
信息时代的标志之一是产业向更大的信息流动转变。这在高科技工厂和仓库中随处可见，在那里，无线传感器和收发器安装在机器人、生产机械和自动车辆中。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。为了避免依赖笨重的有线电源，传感器和收发器可以通过无线电力传输（WPT）远程通电。然而，传统WPT设计的一个问题是它们工作在24GHz。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，才能传输功率。由于5G中继通常用于扩展5G基站的范围，WPT需要进一步扩展，这对24 GHz系统来说是另一个挑战。
为了解决WPT的局限性，东京理工学院的一个研究小组想出了一个聪明的解决方案。在最近的一项研究中，他们开发了一种新型5G继电器，该继电器可以在5.7 GHz的较低频率下无线供电，其结果已在2024年IEEE超大规模集成电路技术与电路研讨会上发表。“通过使用5.7 GHz作为WPT频率，我们可以获得比传统的24 GHz WPT系统更宽的覆盖范围，使更广泛的设备能够同时运行。”资深作者兼副教授Atsushi Shirane解释道。所提出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，5G信号可以来自5G基站或无线设备。该系统的关键创新是使用了整流器型混频器，该混频器在产生直流电的同时进行四阶次谐波混频。
值得注意的是，混频器使用接收到的5.7GHz WPT信号作为本地信号。有了这个本地信号，再加上乘法电路、移相器和功率组合器，混频器将接收到的28 GHz信号“下变频”为5.2 GHz信号。然后，这个5.2GHz的信号被内部放大，通过逆过程上变频到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5.7GHz WPT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管理。正如Shirane所强调的，这种巧妙的方法提供了几个优点：“由于5.7 GHz WPT信号的路径损耗比24 GHz信号小，因此可以从整流器获得更多的功率。此外，5.7 GHz整流器的损耗比24 Hz整流器低，并且可以以更高的功率转换效率工作。”最后，这种拟议的电路设计允许选择晶体管大小、偏置电压、匹配、滤波器的截止频率和负载，以同时最大限度地提高转换效率和转换增益。
通过几次实验，研究团队展示了他们提出的继电器的能力（见图2）。使用标准CMOS技术，单个芯片仅占用1.5毫米乘0.77毫米的芯片，可以在10.7 dBm的输入功率下输出6.45 mW的高功率。值得注意的是，多个芯片可以被组合以实现更高的功率输出。考虑到其诸多优点，所提出的5.7GHz WPT系统可以为智能工厂的发展做出巨大贡献。
