[論文レビュー] Near-Field Wireless Power Transfer with Dynamic Metasurface Antennas

Haiyang Zhang, Nir Shlezinger+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2021

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、放射近場（フレネル）領域における複数端末の充電を可能にする、ダイナミックメタサーフェスアンテナ（DMA）を用いた近接無線電力伝送（WPT）システムを提案する。リーマン多様体上での交互最適化により、デジタルプレコーディングとDMA素子の重みを共同最適化することで、ターゲット受信機で最大13.4 μWのエネルギーを達成し、遠方フィールドビームフォーミング比で48%高い効率を実現。エネルギー漏れを最小限に抑えつつ、複数デバイスの優先順位に基づく充電を可能にする。

ABSTRACT

Radio frequency wireless power transfer (WPT) enables charging low-power mobile devices without relying on wired infrastructure. Current existing WPT systems are typically designed assuming far-field propagation, where the radiated energy is steered in given angles, resulting in limited efficiency and possible radiation in undesired locations. When large arrays at high frequencies, such as DMA, are employed, WPT might take place in the radiating near-field (Fresnel) region where spherical wave propagation holds, rather than plane wave propagation as in the far-field. In this paper, we study WPT systems charging multiple devices in the Fresnel region, where the energy transmitter is equipped with an emerging DMA, exploring how the antenna configuration can exploit the spherical wavefront to generate focused energy beams. In particular, after presenting a mathematical model for DMA-based radiating near-field WPT systems, we characterize the weighted sum-harvested energy maximization problem of the considered system, and we propose an efficient solution to jointly design the DMA weights and digital precoding vector. Simulation results show that our design generates focused energy beams that are capable of improving energy transfer efficiency in the radiating near-field with minimal energy pollution.

研究の動機と目的

• 密度の高い6Gインテอรnet・オブ・エヴァリシング（IoE）環境における従来の遠方フィールドWPTシステムの非効率さとエネルギー漏れを是正すること。
• ダイナミックメタサーフェスアンテナ（DMA）が、近接無線フィールド（フレネル）領域におけるビーム集束を可能にし、WPT効率を向上させることの可能性を検討すること。
• 現実的なDMAハードウェア制約を考慮した上で、デジタルプレコーディングとDMA重みを共同最適化し、重み付き合計収集エネルギーを最大化すること。
• 近接フィールドビーム集束が、従来の遠方フィールドビームステアリングとは異なり、知能的で優先順位を考慮した複数端末の充電を可能にすることを示すこと。

提案手法

• 球面波面伝搬とメタマテリアル素子のローレンティアン応答を組み込んだ、DMAを用いた放射近場WPTの数学的モデルを構築した。
• 非凸なデジタルプレコーディングとDMA重みの共同最適化問題を解くための交互最適化アルゴリズムを提案した。
• 固定されたDMA構成下でのデジタルプレコーディングベクトルに対して、閉形式解を導出した。
• DMA重み最適化問題をリーマン多様体最適化問題に再定式化し、リーマン共役勾配法を用いて効率的に解いた。
• 最大送信電力（1 W）、RF-DC変換効率（ζ = 0.5）、素子間隔λ/2といった実用的制約を組み込んだ。
• 30 cm × 30 cmのDMAを用い、N_d = N_e = ⌊2D/λ⌋個の素子で、28 GHz（近場）および1.2 GHz（遠方）でのビーム集束をシミュレーションした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイナミックメタサーフェスアンテナ（DMA）は、遠方フィールドビームフォーミングと比較して、放射近場領域におけるエネルギー集束ビームを実現できるか？
• RQ2 デジタルプレコーディングとDMA重みの共同最適化は、複数端末の近接フィールドWPTにおいて、重み付き合計収集エネルギーをどのように向上させるか？
• RQ3 近接フィールドビーム集束は、従来の遠方フィールドビームステアリングと比較して、エネルギー漏れをどの程度低減できるか？
• RQ4 同じ角度方向に近接して配置された複数ユーザーに対しても、システムは知的にエネルギー配分を優先制御できるか？

主な発見

• 28 GHz（近場）では、ターゲット受信機で13.4 μWの収集エネルギーを達成し、1.2 GHz（遠方）の遠方フィールドケースに比べ48%高い効率を実現。後者は路損が低いため、依然として高い効率を示した。
• 近場システムはターゲット周辺にエネルギーを集束した焦点ビームを形成したが、遠方フィールドシステムは広がったビームを発生させ、エネルギー集中度が低く、エネルギー漏れも顕著であった。
• 重み係数を調整することでエネルギー配分の優先順位を制御可能であった。α₂を0.1から0.9に増加させたことで、2番目の受信機の収集エネルギーは2.5 μWから4.7 μWに増加した一方、1番目の受信機のエネルギーは30.3 μWから18.7 μWに減少した。
• 提案されたアルゴリズムは、所望の焦点点にエネルギービームを効果的に集束させ、エネルギー漏れを最小限に抑えながら、放射近場領域における有効なビーム集束を実証した。
• リーマン共役勾配法は、非凸なDMA重み最適化問題を効率的に解き、近接フィールドビームフォーミングの実用的実装を可能にした。
• 結果から、DMAを用いた近接フィールドビーム集束が、遠方フィールドの代替手法に比べ、より高い効率と低い干渉を実現する知的な複数端末WPTを可能にすることが確認された。