哈工大電信學(xué)院祁嘉然教授團隊開(kāi)發(fā)出緊湊型無線電力傳輸框架 用于電力傳輸

哈工大全媒體（梁英爽 龐誠/文）近日，哈工大電信學(xué)院祁嘉然教授團隊在微波無線輸能(néng)領域取得新進(jìn)展，開(kāi)發(fā)出緊湊型無線電力傳輸框架。相關成(chéng)果以《基于兩(liǎng)比特緊湊可重構透射式超構表面(miàn)的智能(néng)無線能(néng)量傳輸》（Intelligent Wireless Power Transfer via a 2-bit Compact ReconfigurableTransmissive-Metasurface-Based Router）爲題發(fā)表在《自然通訊》（NatureCommunications）上。受益于低成(chéng)本和緊湊性等優點，該框架有望推動基于超構表面(miàn)的無線電力傳輸裝置在智能(néng)家居、植入式醫療器械、工業機器人、交通運輸、在軌航天等領域應用。團隊演示了使用該無線能(néng)量發(fā)射機對(duì)多個LED燈、手機和充電寶等日常設備進(jìn)行充電，還(hái)使用該發(fā)射機進(jìn)行攜能(néng)通信演示，充分展示了該無線輸能(néng)框架的應用潛力（圖1）。

圖1 無線輸能(néng)和攜能(néng)通信實驗

團隊提出基于可重構透射式超構表面(miàn)的緊湊無線輸能(néng)框架，該框架的核心組件包括平面(miàn)波饋源和兩(liǎng)比特相位可重構透射式超構表面(miàn)，兩(liǎng)者構成(chéng)了多波束可重構的無線能(néng)量發(fā)射機（圖2）。該發(fā)射機具有亞波長(cháng)（0.8倍工作波長(cháng)）剖面(miàn)，其整體尺寸與27寸液晶顯示器相當。通過(guò)聯合深度學(xué)習驅動的環境傳感器，該無線能(néng)量發(fā)射機可對(duì)多個運動中的設備進(jìn)行檢測和定位，并可完成(chéng)對(duì)這(zhè)些設備同時(shí)傳輸無線能(néng)量和信息。平面(miàn)波饋源可在近場區域生成(chéng)近似于平面(miàn)波的均勻波前，進(jìn)而完成(chéng)對(duì)超構表面(miàn)的激勵，使得系統剖面(miàn)降低到亞波長(cháng)尺度，相較于目前主流激勵方案的亞波長(cháng)尺度降低了一個數量級（圖3）。兩(liǎng)比特可重構透射式超構表面(miàn)由169個結構單元組成(chéng)，通過(guò)時(shí)空可編程調制方案實現對(duì)波前相位的精準控制（圖4）。近場平面(miàn)波饋源和可重構透射式超構表面(miàn)結合組成(chéng)無線能(néng)量發(fā)射機，可向(xiàng)多個目标（如智能(néng)手機和無人機）無線傳送能(néng)量。此外，該框架還(hái)包含環境傳感器和智能(néng)計算單元。環境傳感器用來收集待充電目标數量和位置等動态信息。智能(néng)計算單元處理來自傳感器的信息，從而生成(chéng)特定相位模式以控制無線能(néng)量發(fā)射機。在無需人爲幹預的情況下，該發(fā)射機可在随機環境中實現對(duì)多運動目标的無線能(néng)量及信息傳輸。

圖2 緊湊型無線輸能(néng)框架及其應用場景示意圖

圖3 近場平面(miàn)波饋源及其性質

圖4 可重構透射式超構表面(miàn)及其性能(néng)分析

哈工大電信學(xué)院爲論文唯一署名單位，祁嘉然教授爲論文唯一通訊作者，博士生李文志爲論文第一作者，邱景輝教授、于啓月教授參與該研究工作。

該工作獲國(guó)家自然科學(xué)基金資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46984-4