[论文解读] Beamforming for Magnetic Induction based Wireless Power Transfer Systems with Multiple Receivers

S. Kisseleff, I. F. Akyildiz+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2015

Wireless Power Transfer Systems被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于具有三维发射线圈和多个单线圈接收器的磁感应无线充电（MI-WPT）系统的迭代波束成形算法。通过联合优化发射信号的幅度和相位，并考虑互感耦合与反射功率的影响，该方法实现了高达96%的充电效率，显著优于基线方案（如最近邻或基于特征值的波束成形），尤其在强耦合条件下表现更优。

ABSTRACT

Magnetic induction (MI) based communication and power transfer systems have gained an increased attention in the recent years. Typical applications for these systems lie in the area of wireless charging, near-field communication, and wireless sensor networks. For an optimal system performance, the power efficiency needs to be maximized. Typically, this optimization refers to the impedance matching and tracking of the split-frequencies. However, an important role of magnitude and phase of the input signal has been mostly overlooked. Especially for the wireless power transfer systems with multiple transmitter coils, the optimization of the transmit signals can dramatically improve the power efficiency. In this work, we propose an iterative algorithm for the optimization of the transmit signals for a transmitter with three orthogonal coils and multiple single coil receivers. The proposed scheme significantly outperforms the traditional baseline algorithms in terms of power efficiency.

研究动机与目标

• 解决多接收器磁感应无线充电（MI-WPT）系统中因忽略信号相位与幅度优化而导致的功率效率低下问题。
• 开发一种考虑多个接收器与发射器之间互感耦合的波束成形解决方案，而传统方法往往忽略这一点。
• 实现基于优先级的功率分配，允许根据系统需求优先向特定接收器输送能量。
• 通过联合优化发射信号参数并考虑发射功率约束的非凸性，最大化WPT效率。
• 在真实多接收器场景中，展示相对于基线算法（如最近邻法和最大特征值波束成形法）的显著效率提升。

提出的方法

• 采用三维发射器，通过三个正交布置的线圈实现基于波束成形的定向磁场控制。
• 使用每个线圈的谐振LC电路建模系统，并在接收端设置独立的负载电阻以最小化反射。
• 推导出发射功率指标作为波束成形系数的函数，包含互感和耦合效应。
• 提出一种迭代算法，通过考虑所有线圈之间的耦合关系，在功率约束下优化波束成形向量以最大化WPT效率。
• 引入一种优先级感知的优化框架，通过用户定义的优先级比例缩放接收功率，实现定向能量传输。
• 通过假设耦合特性和信号结构，降低问题维度，采用次优但计算可行的方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统方法相比，联合优化发射信号幅度和相位在多接收器MI系统中如何提升WPT效率？
• RQ2 多个接收器与发射器之间的互感耦合在多大程度上影响发射功率和效率？这些影响如何建模并加以缓解？
• RQ3 是否能够设计一种考虑反射功率和耦合效应的波束成形算法，使其优于基线方案（如最近邻法或基于特征值的波束成形法）？
• RQ4 引入基于优先级的功率分配后，对整体系统效率和波束图方向性有何影响？
• RQ5 在使用所提出的波束成形算法时，多接收器MI-WPT系统的最大可实现功率效率是多少？

主要发现

• 所提出的波束成形算法在多接收器WPT系统中实现了高达96%的功率效率，即使在超过三个接收器的情况下，功率损失也极低，仅约4%。
• 在强耦合条件（F > 1）下，所提方法的效率提升曲线更陡峭，平均效率较基线方法最高提升37%。
• 该算法在高耦合区域显著优于最近邻法和最大特征值波束成形法，尤其在耦合效应显著时表现更优。
• 优先级感知优化可实现定向能量输送：当优先级因子从1:1提升至2:1时，目标接收器的接收功率显著增加，甚至超过最近邻法。
• 随着波束成形因子F的增加，波束图变得越来越定向，能量集中于优先接收器方向，同时在非优先方向的损耗显著降低。
• 迭代算法收敛至局部最优解，有效平衡了发射功率、耦合效应与相位对齐，从而最大化系统效率。