迈向更广泛的5G网络覆盖：新型无线供电中继收发器

东京工业大学的研究人员设计了一种新型的256元无线供电收发器阵列，用于非视距5G通信，该阵列具有高效的无线电力传输和高功率转换效率。这一创新设计可以增强5G网络覆盖范围，即使是信号受阻的区域也能覆盖，提高了灵活性和覆盖范围，并可能使高速、低延迟通信更加普及。

毫米波5G通信采用极高频率的无线电信号（24至100 GHz），是下一代无线通信的有前途技术，具有高速度、低延迟和大网络容量的特点。然而，当前的5G网络面临两大挑战。首先是低信噪比（SNR）。高SNR对于良好的通信至关重要。另一个挑战是链路受阻，即由于建筑物等障碍物导致发射器和接收器之间的信号中断。

波束成形是使用毫米波进行远距离通信的关键技术，可提高SNR。该技术使用一组传感器将无线电信号聚焦到特定方向上的窄波束中，类似于将手电筒光束聚焦到单个点上。然而，它仅限于视距通信，即发射器和接收器必须在一条直线上，且接收信号可能会因障碍物而劣化。此外，混凝土和现代玻璃材料可能导致高传播损耗。因此，迫切需要一种非视距（NLoS）中继系统来扩展5G网络覆盖范围，尤其是在室内。

为了解决这些问题，东京工业大学未来科学与技术跨学科研究实验室的副教授Atsushi Shirane领导的研究团队设计了一种新型的无线供电中继收发器，用于28 GHz毫米波5G通信（如图1所示）。他们的研究成果已发表在《2024年IEEE MTT-S国际微波研讨会论文集》上。

所提出的收发器设计能够实现高功率转换效率和转换增益，即使在链路受阻的区域也能增强5G网络覆盖范围。

解释他们研究的动机时，Shirane说：“之前，对于NLoS通信，已经探索了两种类型的5G中继：有源型和无线供电型。虽然有源中继即使整流阵列较少也能保持良好的SNR，但其功耗较高。无线供电型中继不需要专用电源，但由于转换增益低，需要许多整流阵列来维持SNR，并且使用功率转换效率低于百分之十的CMOS二极管。我们的设计在使用商用半导体集成电路（IC）的同时解决了这些问题。”

所提出的收发器由256个整流阵列组成，支持24 GHz无线电力传输（WPT）。这些阵列由包括砷化镓二极管、平衡-不平衡转换器（balun）、双刀双掷（DPDT）开关和数字IC在内的离散IC组成（参见图2）。值得注意的是，该收发器能够同时传输数据和电力，将24 GHz WPT信号转换为直流电（DC），并同时实现28 GHz双向传输和接收。每个整流器单独接收24 GHz信号，而28 GHz信号则通过波束成形进行传输和接收。两种信号可以从相同或不同的方向接收，并且28 GHz信号可以通过与24 GHz导频信号反向反射或向任何方向传输。

图2。所提出收发器的电路结构

该板包括砷化镓二极管、balun IC、DPDT开关IC和数字IC。该电路从24 GHz WPT信号生成DC，并同时将28 GHz射频（RF）信号下变频至4 GHz中频（IF）信号。

测试表明，所提出的收发器可以实现54%的功率转换效率和-19分贝的转换增益，高于传统收发器，同时在长距离保持高SNR。此外，它实现了约56毫瓦的发电能力，通过增加阵列数量可以进一步提高这一能力。这还可以提高传输和接收波束的分辨率。Shirane谈到他们设备的优势时说：“所提出的收发器有助于将毫米波5G网络部署到链路受阻的地方，提高安装灵活性和覆盖范围。”

这种新型收发器将使5G网络更加普及，使所有人都能享受到高速、低延迟的通信！