[논문 리뷰] Near-Field Wireless Power Transfer with Dynamic Metasurface Antennas

Haiyang Zhang, Nir Shlezinger외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 10.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 반사 near-field (Fresnel) 영역에서 다중 사용자 충전을 위한 집중된 에너지 빔을 가능하게 하는 동적 메타표면 안테나(DMA) 기반 근접 무선 전력 전송(WPT) 시스템을 제안한다. Riemannian 다양체 위에서 반복 최적화를 통해 디지털 프리코딩과 DMA 요소 가중치를 공동으로 최적화함으로써, 목표 수신기에서 최대 13.4 μW의 에너지를 확보하였으며, 이는 원거리 무선 전력 전송 기반 기술 대비 48% 높은 성능이다. 이와 함께 에너지 오염을 최소화하고 다중 기기의 우선순위 기반 충전도 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 6G 인터넷 오브 イン텔렉투얼리티(IoE) 환경에서 기존 원거리 무선 전력 전송(WPT) 기술의 비효율성과 에너지 오염 문제를 해결하기 위해.
• 동적 메타표면 안테나(DMAs)가 반사 near-field(Fresnel) 영역에서 빔 집중을 가능하게 하여 WPT 효율을 향상시킬 잠재력을 탐색하기 위해.
• 실제 DMA 하드웨어 제약 조건 하에 디지털 프리코딩과 DMA 가중치를 공동으로 최적화하여 가중합수수익 에너지를 최대화하기 위해.
• 근접 무선 전력 전송에서 빔 집중이 기존 원거리 무선 전력 전송 기반의 빔 조정 방식과 달리 지능적이고 우선순위 인식 기반의 다중 사용자 충전을 가능하게 함을 입증하기 위해.

제안 방법

• 메타물질 요소의 구면파면 전파 및 Lorentzian 반응을 고려한 DMA 기반 반사 near-field WPT에 대한 수학적 모델을 수립하였다.
• 비볼록 성질을 가지는 디지털 프리코딩과 DMA 가중치의 공동 최적화 문제를 해결하기 위해 반복 최적화 알고리즘을 제안하였다.
• 고정된 DMA 구성 조건 하에서 디지털 프리코딩 벡터에 대한 폐형 해를 유도하였다.
• DMA 가중치 최적화 문제를 Riemannian 다양체 최적화 문제로 재구성하였으며, Riemannian 공액 기울기 방법을 사용해 효율적으로 해결하였다.
• 최대 송신 전력(1 W), RF-DC 변환 효율(ζ = 0.5), 요소 간격 λ/2 등의 실용적 제약 조건을 통합하였다.
• 30 cm × 30 cm 크기의 DMA를 사용하였으며, N_d = N_e = ⌊2D/λ⌋ 개의 요소를 활용하여 28 GHz(근접 무선 전력 전송) 및 1.2 GHz(원거리 무선 전력 전송)에서 빔 집중을 시뮬레이션하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 메타표면 안테나(DMAs)는 원거리 무선 전력 전송 대비 반사 near-field 영역에서 집중된 에너지 빔을 생성함으로써 WPT 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 디지털 프리코딩과 DMA 가중치의 공동 최적화는 다중 사용자 근접 무선 전력 전송에서 가중합수수익 에너지를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 근접 무선 전력 전송에서의 빔 집중은 기존 원거리 무선 전력 전송 기반의 빔 조정 방식 대비 에너지 오염을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 근접 무선 전력 전송 시스템은 동일한 각도 방향을 가진 다수의 사용자에게도 에너지 전달을 지능적으로 우선순위를 두어 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 28 GHz(근접 무선 전력 전송)에서 시스템은 목표 수신기에서 13.4 μW의 수확된 전력을 확보하였으며, 이는 원거리 무선 전력 전송 기반 기술(1.2 GHz) 대비 48% 높은 성능을 기록하였다. 이는 원거리 무선 전력 전송 기반 기술의 경로 손실이 낮음에도 불구하고 성능 향상을 이룬 것이다.
• 근접 무선 전력 전송 시스템은 목표 지점 주변에 에너지를 집중된 빔으로 집중시켰지만, 원거리 무선 전력 전송 시스템은 더 넓은 빔을 형성하여 에너지 농도가 낮고 에너지 오염이 더 심했다.
• 가중치 계수를 조정함으로써 에너지 전달 우선순위를 조절할 수 있었다. α₂를 0.1에서 0.9로 증가시킴에 따라 두 번째 수신기에서의 수확된 전력은 2.5 μW에서 4.7 μW로 증가하였고, 첫 번째 수신기의 전력은 30.3 μW에서 18.7 μW로 감소하였다.
• 제안된 알고리즘은 목표 초점에 에너지 빔을 효과적으로 집중시켰으며, 에너지 누설 최소화로써 반사 near-field 영역에서의 효과적인 빔 집중을 입증하였다.
• Riemannian 공액 기울기 방법은 비볼록 성질을 가지는 DMA 가중치 최적화 문제를 효율적으로 해결하여 근접 무선 전력 전송의 실용적 구현을 가능하게 하였다.
• 결과적으로 근접 무선 전력 전송에서 DMA를 통한 빔 집중은 원거리 무선 전력 전송 대비 더 높은 효율성과 낮은 간섭을 제공하는 지능적이고 다중 사용자 기반의 무선 전력 전송을 가능하게 한다는 점이 확인되었다.