無線電力：將要求與可用技術相匹配

作者： Wi-Charge研發(fā)副總裁 Ori Mor

無線電力或無線能量傳輸?shù)某兄Z當然不是什么新鮮事。眾所周知，尼古拉·特斯拉曾嘗試過遠程無線能量傳輸，但他最雄心勃勃的嘗試——沃登克里夫塔——因資金不足而失敗。從那時起，科學家和工程師在推進這項技術方面取得了長足的進步，但許多人認為這項技術仍然沒有達到其崇高的期望。

無線電力的現(xiàn)實是，我們并不像某些人想象的那么遙遠。相反，這是了解當前可用的技術并將該技術與適當?shù)挠美嗥ヅ涞膯栴}。

我們的無線世界無線電源技術無需插入即可為設備充電和供電。例如，智能揚聲器可以放置在家中的任何地方，而無需布線丑陋的電線。目前，大多數(shù)“無線”物體都依賴于最終需要充電或更換的電池。

這些電池供電的設備通常以性能和功能換取電池壽命。電池供電的安全攝像頭每天可能只能流式傳輸一分鐘的視頻。有了無線電源，這個限制就被消除了。

那么哪些設備可以不用電線供電呢？那要看。不同的設備有不同的電力需求。不要指望很快就會斷開冰箱或電視與電源插座的連接。但是，如果您想在房間內(nèi)為手機充電并擁有無線環(huán)繞揚聲器、智能家居設備或游戲控制器，那么正確的無線充電技術可以讓這成為現(xiàn)實。

頻譜的兩個方面為了更好地了解我們的無線電源選項，我們需要查看整個電磁 (EM) 頻譜。EM 頻帶如下圖 1 所示。

圖 1：電磁波譜

主要感興趣的是商業(yè)開發(fā)的無線電和紅外 (IR) 波段。它們之間——在 100 GHz 到 10 THz 的范圍內(nèi)——是一個被稱為“太赫茲差距”的技術鴻溝，在商業(yè)組件方面幾乎沒有可用的東西。關于“太赫茲間隙”頻帶對健康的影響也知之甚少。

由于固有的用戶體驗和安全挑戰(zhàn)，可見光和紫外線不是無線電源的理想選擇。因此，當我們查看 EM 光譜時，我們實質上是在比較位于 EM 光譜兩側的 RF 和 IR 波段。

權力游戲你需要多少電力，你能提供多少電力？功率以瓦特 (W) 為單位。顯然，不同的設備將需要不同的電量來操作或充電。以下是幾種設備的典型功耗值。

了解不同設備具有不同需求是確定哪些設備更適合當今存在的無線電源的重要第一步。但這只是問題的第一部分。我們還需要看看可以提供多少電力。為此，我們需要查看限制能量傳遞的主要因素：距離（受衍射限制）和功率（受安全限制）。

衍射： 想象有人試圖從花園軟管中取水。水從花園軟管“傳輸”并由人的嘴“接收”。從花園軟管流出的水流直徑很小。人離花園軟管越遠，水流的直徑就越大，這意味著當他們遠離軟管時，將捕獲的可用水的百分比越小。更多的水將被“浪費”或淋濕其他人或物體。

以類似的方式，當功率束“發(fā)散”（變寬）時，發(fā)射器與接收器的距離會影響功率捕獲能力。如果接收器僅捕獲一小部分發(fā)射能量，則需要從發(fā)射器發(fā)送更多能量來為設備供電。

提高效率的一種選擇是增加接收器的尺寸，但制造更大的接收器會使該技術對手機或其他便攜式設備不太實用。

安全性： 如果只捕獲一小部分傳輸?shù)哪芰浚敲雌溆嗟哪芰烤蜁椛涞江h(huán)境中。接收器未捕獲的功率會使人、動物和物體暴露于附帶輻射。根據(jù)能量的數(shù)量和類型，這可能是不安全的。

尋找合適的技術如果您請一組工程師提出遠程無線電源的解決方案，射頻 (RF) 可能是一個自然的選擇。可供射頻使用的商品化組件有很多，射頻工程人才也很多。如果射頻在通信方面做得很好，那么它在無線電力方面也可能做得很好，這似乎是合乎邏輯的。

不幸的是，事實證明，在無線電力傳輸方面，使 RF 非常適合通信的特性削弱了它。當您嘗試將射頻打包成一個緊密的光束并將其發(fā)送到某個遙遠的點時，它往往會很快分解。事實上，事實證明，在超過 1 m 的距離上傳輸射頻波束幾乎是不可能的。我們談論的是電子設備的實際實現(xiàn)，而不是巨大的天線和射電望遠鏡天線。

同樣，當您提高功率級別時，您會發(fā)現(xiàn)超過 0.1 W 左右違反了適用的無線電安全標準。最終，您最終會獲得適度的潛在性能包絡（遠大于磁感應），但同樣，您會受到范圍和可以支持的功率水平的限制。

RF 或許能夠勉強支持一些智能家居應用。例如，它可以支持桌面環(huán)境中的無線鼠標或鍵盤等外圍設備——不需要超過 1 m 的應用程序。但是，實現(xiàn)對絕大多數(shù)智能家居應用和個人移動設備的有意義的支持仍然超出了射頻技術的范疇。

事實證明，如果您正在尋找一種能夠在 10 m 的距離和高達 10 W 的功率水平為房間內(nèi)任何地方的移動設備和智能設備供電的技術，IR 是一個不錯的選擇，因為它具有兩個出色的特性它非常適合提供無線電力。

首先，您可以打包一束非常緊湊的紅外能量束并長距離攜帶。想想一個激光筆，它可以在很長的距離內(nèi)發(fā)射聚焦光束而不會分解。借助 IR，我們有能力在不變形或分解的情況下進行長距離傳輸，并且仍然為客戶端設備提供所有電力。

IR 的第二個特性更有吸引力，它與安全性有關。射頻是人造輻射，基本上是在大約 100 到 150 年前發(fā)明的。射頻可能對所有形式的生命都非常有害，這就是為什么安全限制在這么早的時候就開始起作用的原因。另一方面，紅外線一直存在——它約占加熱地球的太陽能的一半。當?shù)厍蛏系纳l(fā)展起來時，它開發(fā)了在紅外線中沐浴。結果是我們更適應 IR，并且 IR 的安全限制比無線電放寬了大約 100 倍。

如果將色散的物理現(xiàn)象和安全限制結合起來，您將獲得以下可用技術的性能范圍：

圖 2：電源選項

我們在客戶體驗（在墊子上、在桌子上、在房間內(nèi)以及其他地方充電）和外圍設備、智能家居設備和智能手機所需的功率水平的背景下對此進行了繪制。

結論雖然我們距離通過無線電源為筆記本電腦等大型設備供電可能還有幾年的時間，但效率和安全性的結合表明，IR 可以提供 100 倍于最佳射頻技術的能量。換句話說，IR 技術可以提供足夠的電力來為大多數(shù)現(xiàn)代手機充電。

審核編輯 黃昊宇