使用毫米波實現(xiàn)一種無線電力傳輸系統(tǒng)的解決方案

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

無線功率傳輸一直是行業(yè)內(nèi)的熱門話題。一家來自加州理工學(xué)院的初創(chuàng)公司已經(jīng)實現(xiàn)了一種無線電力傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用射頻（RF）波，特別是毫米波（mmWave），也用于5G技術(shù)的頻率，在空中傳輸電能。GuRu Wireless，Inc.的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Florian Bohn向我們介紹了他的無線技術(shù)如何在幾米范圍內(nèi)為幾乎任何設(shè)備充電。該技術(shù)得益于功率傳輸?shù)男⌒突托史矫娴纳钊氚l(fā)展。

“為什么是毫米波頻率？使用毫米波可以使我們有效地將功率從A點通過空中傳遞到B點。最終，您無法超越物理定律，并且功率傳輸受到衍射的限制，” Bohn說。

他補充說：“衍射是限制顯微鏡的同一過程，暗示電磁波是光的一種形式。當您嘗試以24 GHz的頻率從A點向B點發(fā)送功率時，波長為1.25厘米。這意味著您可以選擇約1.25厘米的小區(qū)域，并能夠高效地將所需的電力發(fā)送到那里。另一方面，波長為2.4 GHz（例如用于Wi-Fi）時，波長要大十倍，使用該波長將限制覆蓋范圍以及可達到的范圍和效率。”

尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）技術(shù)
無線發(fā)送電力的想法并不新鮮：自從首次提出該想法的尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）時代起，多年來就針對不同的應(yīng)用出現(xiàn)了許多技術(shù)。Bohn指出，使GuRu設(shè)計更高效的原因在于其mmWave技術(shù)允許以受控和安全的方式發(fā)送功率。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的興起對從業(yè)人員提出了持續(xù)的挑戰(zhàn)，尤其是在設(shè)計領(lǐng)域，因為設(shè)備需要電源。除了電動汽車和移動電子設(shè)備領(lǐng)域，無線電源傳輸是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中討論最多的主題之一。盡管無線設(shè)計方法是眾所周知的，但用于空中無線功率傳輸?shù)陌l(fā)射機的設(shè)計，它們的放置，效率的最大化和系統(tǒng)驗證代表著新的和復(fù)雜的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)需要特定的技能并需要使用先進的工具，例如數(shù)值模擬。

設(shè)計能夠在米的距離上可靠運行的無線電力傳輸系統(tǒng)需要專門知識，例如準確預(yù)測線圈天線以及電路的電磁和熱性能，以及設(shè)計用于驅(qū)動和控制所有操作的邏輯控制電路整個系統(tǒng)。

GuRu無線電源
GuRu的可擴展無線電源模塊包括發(fā)送和接收天線，并由一系列集成的毫米波芯片供電。可分塊的模塊和芯片可實現(xiàn)可定制的，具有成本效益的和小型化的解決方案。

“一種類型的應(yīng)用是工業(yè)/汽車，我們可以在其中安裝用于氣候控制，座椅，安全帶檢測的傳感器，以及其他一些需要在不使用麻煩電線的情況下為它們供電的傳感器。通過我們的技術(shù)，您不僅可以為這些設(shè)備供電，還可以集成一些功能，這樣您就可以感知傳感器的位置或門是否打開或關(guān)閉。” Bohn說。

圖1：傳統(tǒng)的2.4 GHz模塊（來源：GuRu）。

24 GHz的頻段非常干凈；最大的優(yōu)勢之一是可以創(chuàng)建緊密的點對點連接。該頻段的發(fā)射也不會干擾Wi-Fi和藍牙。博恩說：“因此，電磁能量非常有限。”

GuRu的技術(shù)涉及控制光束的方向和數(shù)量，以優(yōu)化效率。Smart RF Lensing甚至可以將多束能量發(fā)送到很小的接收器，這使得發(fā)送設(shè)備可以縮小以適合桌子或墻壁。它還使GuRu的系統(tǒng)能夠為手機甚至更小的IoT和智能家居設(shè)備充電。

諸如此類的無線電源技術(shù)對于傳感器網(wǎng)絡(luò)非常實用，無需電池或支持為所有放置電池更換問題的設(shè)備充電。安裝在天花板上的一個原型可以向超過10英尺遠的設(shè)備供電，而另一個原型可以為會議桌燈附近的多部電話充電。此外，我們可以讓一個機器人在一個房間到另一個房間漫游，以感知無線設(shè)備的電源需求并在沒有物理接觸的情況下為它們充電。博恩說，諸如智能家居和整個工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部門之類的一些部門將從無線無線供電和充電中受益匪淺。他補充說：“如果您有很多傳感器，則不希望它們一個接一個地連接或更換電池，因此無線充電可以幫助您，并提供很高的投資回報率。”

Bohn告訴我們，GuRu的一個發(fā)電機組可以在2-3小時內(nèi)將iPhone 11的13Wh電池充滿電。發(fā)電機單元的尺寸根據(jù)使用情況而變化。

編輯：hfy