作者： Wi-Charge研發(fā)副總裁 Ori Mor

無(wú)線電力或無(wú)線能量傳輸?shù)某兄Z當(dāng)然不是什么新鮮事。眾所周知，尼古拉·特斯拉曾嘗試過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)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(shí)起，科學(xué)家和工程師在推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但許多人認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)仍然沒(méi)有達(dá)到其崇高的期望。

無(wú)線電力的現(xiàn)實(shí)是，我們并不像某些人想象的那么遙遠(yuǎn)。相反，這是了解當(dāng)前可用的技術(shù)并將該技術(shù)與適當(dāng)?shù)挠美嗥ヅ涞膯?wèn)題。

我們的無(wú)線世界無(wú)線電源技術(shù)無(wú)需插入即可為設(shè)備充電和供電。例如，智能揚(yáng)聲器可以放置在家中的任何地方，而無(wú)需布線丑陋的電線。目前，大多數(shù)“無(wú)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(shè)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(wú)線電源，這個(gè)限制就被消除了。

那么哪些設(shè)備可以不用電線供電呢？那要看。不同的設(shè)備有不同的電力需求。不要指望很快就會(huì)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(jī)充電并擁有無(wú)線環(huán)繞揚(yáng)聲器、智能家居設(shè)備或游戲控制器，那么正確的無(wú)線充電技術(shù)可以讓這成為現(xiàn)實(shí)。

頻譜的兩個(gè)方面為了更好地了解我們的無(wú)線電源選項(xiàng)，我們需要查看整個(gè)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(wú)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(gè)被稱為“太赫茲差距”的技術(shù)鴻溝，在商業(yè)組件方面幾乎沒(méi)有可用的東西。關(guān)于“太赫茲間隙”頻帶對(duì)健康的影響也知之甚少。

由于固有的用戶體驗(yàn)和安全挑戰(zhàn)，可見(jiàn)光和紫外線不是無(wú)線電源的理想選擇。因此，當(dāng)我們查看 EM 光譜時(shí)，我們實(shí)質(zhì)上是在比較位于 EM 光譜兩側(cè)的 RF 和 IR 波段。

權(quán)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(shè)備將需要不同的電量來(lái)操作或充電。以下是幾種設(shè)備的典型功耗值。

了解不同設(shè)備具有不同需求是確定哪些設(shè)備更適合當(dāng)今存在的無(wú)線電源的重要第一步。但這只是問(wèn)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(yuǎn)，水流的直徑就越大，這意味著當(dāng)他們遠(yuǎn)離軟管時(shí)，將捕獲的可用水的百分比越小。更多的水將被“浪費(fèi)”或淋濕其他人或物體。

以類似的方式，當(dāng)功率束“發(fā)散”（變寬）時(shí)，發(fā)射器與接收器的距離會(huì)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(lái)為設(shè)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(huì)使該技術(shù)對(duì)手機(jī)或其他便攜式設(shè)備不太實(shí)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?huì)輻射到環(huán)境中。接收器未捕獲的功率會(huì)使人、動(dòng)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(shù)如果您請(qǐng)一組工程師提出遠(yuǎn)程無(wú)線電源的解決方案，射頻 (RF) 可能是一個(gè)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(wú)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(shí)證明，在無(wú)線電力傳輸方面，使 RF 非常適合通信的特性削弱了它。當(dāng)您嘗試將射頻打包成一個(gè)緊密的光束并將其發(fā)送到某個(gè)遙遠(yuǎn)的點(diǎn)時(shí)，它往往會(huì)很快分解。事實(shí)上，事實(shí)證明，在超過(guò) 1 m 的距離上傳輸射頻波束幾乎是不可能的。我們談?wù)摰氖?a target="_blank">電子設(shè)備的實(shí)際實(shí)現(xiàn)，而不是巨大的天線和射電望遠(yuǎn)鏡天線。

同樣，當(dāng)您提高功率級(jí)別時(shí)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)超過(guò) 0.1 W 左右違反了適用的無(wú)線電安全標(biāo)準(zhǔn)。最終，您最終會(huì)獲得適度的潛在性能包絡(luò)（遠(yuǎn)大于磁感應(yīng)），但同樣，您會(huì)受到范圍和可以支持的功率水平的限制。

RF 或許能夠勉強(qiáng)支持一些智能家居應(yīng)用。例如，它可以支持桌面環(huán)境中的無(wú)線鼠標(biāo)或鍵盤等外圍設(shè)備——不需要超過(guò) 1 m 的應(yīng)用程序。但是，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕大多數(shù)智能家居應(yīng)用和個(gè)人移動(dòng)設(shè)備的有意義的支持仍然超出了射頻技術(shù)的范疇。

事實(shí)證明，如果您正在尋找一種能夠在 10 m 的距離和高達(dá) 10 W 的功率水平為房間內(nèi)任何地方的移動(dòng)設(shè)備和智能設(shè)備供電的技術(shù)，IR 是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗哂袃蓚€(gè)出色的特性它非常適合提供無(wú)線電力。

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

IR 的第二個(gè)特性更有吸引力，它與安全性有關(guān)。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(duì)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(shí)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(yáng)能的一半。當(dāng)?shù)厍蛏系纳l(fā)展起來(lái)時(shí)，它開發(fā)了在紅外線中沐浴。結(jié)果是我們更適應(yīng) IR，并且 IR 的安全限制比無(wú)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(jié)合起來(lái)，您將獲得以下可用技術(shù)的性能范圍：

圖 2：電源選項(xiàng)

我們?cè)诳蛻趔w驗(yàn)（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(shè)備、智能家居設(shè)備和智能手機(jī)所需的功率水平的背景下對(duì)此進(jìn)行了繪制。

結(jié)論雖然我們距離通過(guò)無(wú)線電源為筆記本電腦等大型設(shè)備供電可能還有幾年的時(shí)間，但效率和安全性的結(jié)合表明，IR 可以提供 100 倍于最佳射頻技術(shù)的能量。換句話說(shuō)，IR 技術(shù)可以提供足夠的電力來(lái)為大多數(shù)現(xiàn)代手機(jī)充電。

審核編輯 黃昊宇