[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种基于动态超表面天线（DMA）的近场无线能量传输（WPT）系统，可在辐射近场（Fresnel）区域实现聚焦能量波束，用于多用户充电。通过在黎曼流形上采用交替优化方法联合优化数字预编码与DMA单元权重，该系统在目标接收端实现了高达13.4 μW的接收功率——比远场波束成形高出48%，同时最小化了能量污染，并支持多设备的优先级充电。

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.

研究动机与目标

• 解决传统远场WPT系统在密集6G万物互联（IoE）环境中效率低下和能量污染严重的问题。
• 探索动态超表面天线（DMAs）在辐射近场（Fresnel）区域实现波束聚焦的潜力，以提升WPT效率。
• 联合优化数字预编码与DMA权重，在满足实际DMA硬件约束条件下最大化加权总接收能量。
• 证明近场波束聚焦可实现智能、优先级感知的多用户充电，而传统远场波束成形无法实现此功能。

提出的方法

• 建立了包含球面波前传播和超材料单元洛伦兹响应的DMA基近场WPT数学模型。
• 提出一种交替优化算法，求解数字预编码与DMA权重的非凸联合优化问题。
• 在固定DMA配置下，推导出数字预编码向量的闭式解。
• 将DMA权重优化重新表述为黎曼流形优化问题，并采用黎曼共轭梯度法高效求解。
• 引入实际约束条件，如最大发射功率（1 W）、射频到直流转换效率（ζ = 0.5），以及单元间距为λ/2。
• 采用30 cm × 30 cm的DMA，配置N_d = N_e = ⌊2D/λ⌋个单元，模拟28 GHz（近场）和1.2 GHz（远场）下的波束聚焦效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 动态超表面天线（DMAs）是否能在辐射近场区域实现聚焦能量波束，从而相比远场波束成形提升WPT效率？
• RQ2 数字预编码与DMA权重的联合优化在多用户近场WPT中如何提升加权总接收能量？
• RQ3 与传统远场波束成形相比，近场波束聚焦在多大程度上可减少能量污染？
• RQ4 当多个用户处于相近角度方向且彼此靠近时，系统是否能智能地优先向其分配能量？

主要发现

• 在28 GHz（近场）条件下，目标接收端实现了13.4 μW的接收能量，相比1.2 GHz远场情况（尽管后者路径损耗更低）提升了48%。
• 近场系统将能量集中于目标附近的聚焦波束，而远场系统产生更宽的波束，导致能量集中度降低且能量污染更严重。
• 通过调节权重系数，系统可实现能量优先分配：当α₂从0.1提升至0.9时，第二接收端的接收功率从2.5 μW增至4.7 μW，而第一接收端的功率则从30.3 μW降至18.7 μW。
• 所提算法成功将能量波束聚焦于指定焦点，证明了在辐射近场区域实现有效波束聚焦且能量泄漏极少。
• 黎曼共轭梯度法高效求解了非凸DMA权重优化问题，使近场波束成形得以实际部署。
• 结果证实，通过DMAs实现的近场波束聚焦可实现高效、低干扰的智能多用户WPT，优于远场替代方案。