无线近场技术（近场磁耦合无线电能与信息同步传输技术的应用前景）

无线近场技术（近场磁耦合无线电能与信息同步传输技术的应用前景）（1）无线能量传输加密：能量作为一种有价资源在传输时不能被未授权的负载随意获取。为防止无线电能在传输过程中被非法窃取，必须进行加密传输并对负载进行识别，只有拥有无线能量接收许可密匙的合法负载才能接入系统。近场磁耦合能量与信息同步传输系统可实现负载识别与能量传输加密，只有能进行正确应答的负载才能获取能量；否则，电能发射端可以拒绝进行能量传输以保证能量安全。未来近场磁耦合能量与信息同步传输技术（Magnetic Coupling SWPIT MC-SWPIT）将朝着高速通信与高效传能的方向发展，并进一步拓宽其有效工作范围。伴随着半导体与数字控制技术的发展，系统的能量传输功率可从mW级升至kW级，通信速率可从kbit/s升至Mbit/s级，可进一步实现芯片级的高度集成化与小型化，深刻嵌入现代社会的各个领域。随着近场磁耦合能量与信息同步传输技术的进一步完善与成熟，有望在以下多个领域取得广泛应用：

无线电能传输（Wireless Power Transfer WPT）技术凭借其灵活、可靠、便捷的技术优势，近些年在科研与商业领域都取得了诸多成果。目前无线电能传输系统形成了以电磁波为主要载体的两大技术类别：①近场电磁耦合式（Near-field Magnetic Coupling NMC）：分为电场耦合与磁场耦合；②远场射频式（Far-field Radio Frequency FRF）：包括微波、毫米波、激光等。

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其中尤以近场电磁耦合式无线电能传输技术最为成熟，在各种不利于进行有线电能传输的应用场景中拥有广阔的发展前景，包括植入医学设备、移动便携终端、井下勘探设施、水下自主机器、电动汽车等。而远场射频式无线电能传输技术以及基于其他媒介（超声波等）的无线电能传输技术受限于能量传输功率与转化效率，导致研究与应用都较少。

成熟可靠的商用无线电能传输系统本质上是一个电能与信息同步传输系统。电能与信息同步传输（Simu- ltaneous Wireless Power and Information Transfer SWPIT）系统如图1所示，对于实际工程应用而言，无线电能传输系统为保证能量高效稳定地从电能发射端传输至负载接收端，同时负载模块采集的功能数据能高速可靠地反馈至电能发射侧，电能发射端与负载接收端不仅需要进行能量传输，也需要实现数据通信。

图1 电能与信息同时传输系统

总体而言，电能与信息同步传输系统实时通信内容可概括为两大类：①电能传输控制数据：包括接收侧电压、电流、功率的大小等，主要用于系统的闭环控制、状态监测、最大效率/功率跟踪控制等；②系统工作数据：与系统整体实现的功能与用途有关，如发射端发送的功能控制命令、接收端传感器采集的反馈工作数据等。研究如何在电能发射端与接收端之间同时建立稳定可靠的无线能量传输通道与数据通信链路，是十分必要且有意义的。

表1 MC-SWPIT系统实现及其优缺点比较

未来近场磁耦合能量与信息同步传输技术（Magnetic Coupling SWPIT MC-SWPIT）将朝着高速通信与高效传能的方向发展，并进一步拓宽其有效工作范围。伴随着半导体与数字控制技术的发展，系统的能量传输功率可从mW级升至kW级，通信速率可从kbit/s升至Mbit/s级，可进一步实现芯片级的高度集成化与小型化，深刻嵌入现代社会的各个领域。随着近场磁耦合能量与信息同步传输技术的进一步完善与成熟，有望在以下多个领域取得广泛应用：

（1）无线能量传输加密：能量作为一种有价资源在传输时不能被未授权的负载随意获取。为防止无线电能在传输过程中被非法窃取，必须进行加密传输并对负载进行识别，只有拥有无线能量接收许可密匙的合法负载才能接入系统。近场磁耦合能量与信息同步传输系统可实现负载识别与能量传输加密，只有能进行正确应答的负载才能获取能量；否则，电能发射端可以拒绝进行能量传输以保证能量安全。

（2）无线能量路由网络：未来随着无线电能传输的普及，无线电能系统可构成多输入多输出（Multi-Input Multi-Output MIMO）无线能源网络，因此功率分配尤为重要。接入该无线能源网络的电能发射源或负载必须按需发射或接收能量，满足不同电源出力以及负载的供能要求。近场磁耦合能量与信息同步传输系统的发射端可构成能量路由器，所自带的通信功能可完成能量供给与需求通信，从而构建无线能源网络并按需供给与分配电能资源。

（3）物联网设备供电：未来物联网（Internet of Things IoT）设备将在智能家居中扮演不可或缺的角色，而其拥有诸多传感器且需连续工作。近场磁耦合能量与信息同步传输技术可实现携能通信，有效延长传感器的在线工作时间并降低其维护成本。

（4）生物组织植入设备：对于视网膜假体、胃镜、精准送药机器人等植入人体组织的设备而言，通常不易采取有线供电。近场磁耦合能量与信息同步传输技术可有效提高这些医学植入设备的使用便携性与工作时间，提高用户体验并减少痛苦。

本文编自2022年第16期《电工技术学报》，论文标题为“近场磁耦合无线电能与信息同步传输技术的发展（下篇）：电路拓扑”，作者为华南理工大学电力学院的李建国、张波、荣超。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。