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夜间室内光无线电力传输到小电池

小型基站（SCs）原则是一个被广泛接受的，也是最有潜力指数的解决方案。尽管小型基站的大规模户外部署有着诸如网络容量高、可以降低功耗等优点，但高昂的安装成本成为了限制其发展的很大因素。光纤技术被认为是与小型基站高速回程通信的最有潜力的解决方案之一。然而，它最主要的缺点在于安装成本高昂以及对于主电源的要求较高。因此，替换电源来源和使用无线回程通信可以使小型基站的部署更具成本效益。

通过自然资源，如太阳和风，进行能量收集或电量收集，并作为电源的替代来源的主要缺点在于会非常依赖天气条件的变化。因此，无线能量传输技术（WPT）技术已经作为一种补充和可靠的解决方案被提出。无线能量传输的概念是在19世纪末由尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）通过使用射频谐振变压器，又称特斯拉线圈，第一次提出并展示出来的。无线能量传输也可以应用于在EM光谱中可见光和红外部分工作的设备，如激光二极管（LD）、发光二极管（LED）和太阳能电池。在光学领域，这个概念被称为光无线电力传输（OWPT）。

光无线通信（OWC）研究领域已经被作为RD数据通信的补充技术以及呈指数增长的无线数据传输需求的最有潜力的解决方案被提出。OWC的广泛研究领域可以被分为两个部分：

自由空间光通信（FSO）和可见光通信（VLC）。自由空间光学系统主要包括使用激光相干数据传输的发射机，以及使用光电二极管（PD）的接收机。而且，FSO系统一般会被布置在户外，覆盖距离可达几公里。可见光通信促进了LED和PD的使用，主要应用于室内公共场所，如办公室，会议场馆，博物馆，酒店和医院。

总体研究的目的，是调查OWPT提供1W的能量同时与户外的小型基站进行高速FSO回程通信的应用。不过作为这个综合研究的第一步，这里主要侧重于室内的OWPT到户外的小型基站。选择黑暗条件主要是因为在没有光环境的条件下，系统也应该正常工作。在本文中，一共报告了三项研究。在研究I中，少量的LD被用于mw级的光功率传输，以观察太阳能接收器的效率随输入光功率变化的情况。根据该结果和物理模型，可以估计产生1W功率的LD数量。然而，研究I的实验距离只有5.2m，而给SC供电时的实际链路距离大约在100-300m，我们需要确定光无线（OW）链路可以在较长距离上工作。因此，研究II是为了确定上述情况而进行的激光束发散实验。假设LD是一个点源，我们就要考虑1mrad的目标光束发散，因为光束直径在100m处仅为10cm。因此，这种激光连接件的几何损耗可以通过使用具有大孔径的接收器来补偿。如研究一所示，收获1 W所需的LD估计数为61。因此，在研究III中，设计了多个激光发射机将无线7.2W的光功率传输到太阳能电池，从而可以在研究一中达到最高的效率。然而，在研究III中，模拟了具有准直透镜的42个LD，因为它们传递比研究I中考虑的LD更高的功率。

1. 研究I：链路和组件的总效率

具体实施的OWPT链路距离为5.2米，为了比较电气性能的指标（如总功率效率和收获功率），在实验中使用太阳能电池板和单个太阳能电池。此外，开发了一种物理模型，用于将椭圆高斯光束通过透镜传播到自由空间，并用于获得激光分类并确定眼睛安全的辐照度极限。提出了一种太阳能电池板的有效单二极管物理模型，并应用于曲线拟合的实验数据。最重要的是，分析模型用于估计实现1W收获功率所需的光发射机的数量。由于总链路效率是组件效率的函数，所以需要测量LD和太阳能电池的效率以确定几何损耗。这种链路在总效率方面的表现与具有最佳形状偶极子线圈的最先进的感应功率传输系统（IPTS）相当。 最终结果显示改善了2.7倍，最大收获功率测量仅为25.7 mW; 并且估计需要61 LD和镜片来收集1 W的功率。

1. 研究II：激光束准直

在研究II中，单个LD用于具有大透镜的光准。此外，研究I中开发的高斯光束传播的物理模型被应用于实验测量的辐照度点。沿着梁的小轴和大轴，报告峰的强度分别为3mrad和5.75mrad，具有36.8％全宽度的发散值。因此，可以得出结论，开发的OW链路能够在长距离上有效发射功率，例如100m-300m。

1. 研究III：具有1W目标值的能量采集

在研究III中，使用Zemax中的模拟框架和研究I中开发的多个椭圆高斯光束的相应分析模型，研究了1 W的采集可行性。在研究I中，虽然每个二极管的典型输出功率为50 mW，可以得出61个 LD是采集1 W能量所需要的数量，但研究III中考虑了每个典型输出功率为171 mW的LD二极管。特别地，在研究I中，距离30m