Недавно разработанное реле 5G с беспроводным питанием может ускорить развитие умных заводов, сообщают ученые из Tokyo Tech. Принимая более низкую рабочую частоту для беспроводной передачи энергии, предлагаемая конструкция реле решает многие текущие ограничения, включая дальность действия и эффективность. В свою очередь, это позволяет обеспечить более универсальное и широкое размещение датчиков и трансиверов в промышленных условиях.

Одной из отличительных черт информационного века является трансформация отраслей в сторону увеличения потока информации. Это можно легко увидеть на высокотехнологичных заводах и складах, где беспроводные датчики и приемопередатчики установлены в роботах, производственном оборудовании и автоматических транспортных средствах. Во многих случаях сети 5G используются для организации операций и связи между этими устройствами.

Чтобы не полагаться на громоздкие проводные источники питания, датчики и приемопередатчики можно запитывать удаленно с помощью беспроводной передачи энергии (WPT). Однако одна из проблем традиционных конструкций БПЭ заключается в том, что они работают на частоте 24 ГГц.

На таких высоких частотах лучи передачи должны быть чрезвычайно узкими, чтобы избежать потерь энергии. Более того, мощность может передаваться только в том случае, если между системой БПЭ и целевым устройством существует прямая видимость. Поскольку ретрансляторы 5G часто используются для расширения радиуса действия базовых станций 5G, WPT необходимо достичь еще большего, что является еще одной проблемой для систем 24 ГГц.

Чтобы устранить ограничения WPT, исследовательская группа из Токийского технологического института предложила умное решение. В недавнем исследовании, представленном на симпозиуме IEEE по технологиям и схемам СБИС в 2024 году , они разработали новое реле 5G, которое может питаться по беспроводной сети на более низкой частоте 5,7 ГГц.

«Используя частоту 5,7 ГГц в качестве частоты WPT, мы можем получить более широкое покрытие, чем традиционные системы WPT с частотой 24 ГГц, позволяя одновременно работать более широкому спектру устройств», — объясняет старший автор и доцент Ацуши Ширане.

Предлагаемое реле с беспроводным питанием призвано действовать как промежуточный приемник и передатчик сигналов 5G, которые могут исходить от базовой станции 5G или беспроводных устройств. Ключевым нововведением этой системы является использование смесителя выпрямительного типа, который выполняет смешение субгармоник 4-го порядка, а также генерирует мощность постоянного тока.

Примечательно, что смеситель использует полученный сигнал БПЭ 5,7 ГГц в качестве локального сигнала. С помощью этого локального сигнала вместе с умножающими схемами, фазовращателями и сумматором мощности смеситель «конвертирует» принятый сигнал 28 ГГц в сигнал 5,2 ГГц. Затем этот сигнал 5,2 ГГц внутренне усиливается, преобразуется с повышением частоты до 28 ГГц посредством обратного процесса и повторно передается по назначению.

Для управления этими внутренними усилителями предлагаемая система сначала выпрямляет сигнал БПЭ 5,7 ГГц для получения мощности постоянного тока, которой управляет специальный блок управления питанием. Этот оригинальный подход дает несколько преимуществ, как подчеркивает Ширане: «Поскольку сигнал БПЭ 5,7 ГГц имеет меньшие потери на пути распространения, чем сигнал 24 ГГц, от выпрямителя можно получить больше мощности. Кроме того, выпрямитель 5,7 ГГц имеет меньшие потери, чем 24 ГГц. Выпрямители ГГц и могут работать с более высоким КПД преобразования энергии».

Наконец, предлагаемая схема позволяет выбирать размер транзистора, напряжение смещения, согласование, частоту среза фильтра и нагрузку для одновременного максимизации эффективности преобразования и усиления преобразования.

В ходе нескольких экспериментов исследовательская группа продемонстрировала возможности предложенного ими реле. Занимая всего лишь чип размером 1,5 х 0,77 мм и используя стандартную КМОП-технологию, один чип может выдавать высокую мощность 6,45 мВт при входной мощности 10,7 дБм. Примечательно, что несколько чипов можно объединить для достижения более высокой выходной мощности. Учитывая многочисленные преимущества, предлагаемая система БПЭ на частоте 5,7 ГГц может, таким образом, внести существенный вклад в развитие «умных» заводов.