新型無線充電技術：讓房間成為無線充電站

這幅圖片展示了房間平面屏幕菲涅耳區域無線電力傳輸系統給智能設備充電。（圖片來源於：杜克大學）

引言

目前，無線充電技術的傳輸距離和效率仍然是業界難題。而新的研究成果表明，未來某一天，位於室內牆壁上的類似於液晶電視的平面屏幕板，將可以給在它視線範圍內任意設備充電。

新型方案簡介

這項研究發表在2016年10月23日的 arXiv 電子預印本知識庫。來自於華盛頓大學、杜克大學以及高智旗下的科學發明基金（ISF）的工程師們表明他們已有技術能力構建這樣的系統，目前只是需要花一些時間進行設計。

華盛頓大學電氣工程以及計算機科學和工程專業的副教授，論文的合著者 Matt Reynolds 認為：

「目前，笨重的充電板和繁瑣的充電線，束縛了智能手機或者平板電腦的移動性，所以尋找替代方案的需求巨大。我們的方案利用了廣泛使用的LCD技術，完美地向各種智能設備提供無線充電服務。」

「將微波能量束安全地直接聚焦，為特定設備充電，同時避免對於人、寵物和其他物體產生不良影響，這種能力改變了無線充電技術的規則。我們目前正在研究尋找液晶的替代品，使能量能夠在更高功率水平，更長遠的距離範圍內傳輸。」

現有無線充電方案的瓶頸

目前，一些無線充電系統已經可以給揚聲器、手機、平板電腦充電。這些技術依賴的平台本身需要有線圈，而且這些接受充電的設備必須貼近無線充電站。

原因是目前的充電器使用磁場在近場傳輸能量。流過線圈的電流產生的磁場，在靠近線圈的地方相當大，可以誘發鄰近位置的線圈中產生電流。磁場也被認為相對於人體是安全的，所以成為無線電力傳輸的一個方便的選擇。

磁場近場方案，並不適合遠距離電力無線傳輸。這是因為在發射源和接收器之間的耦合，這樣導致電力傳輸效率隨著距離急劇下降。

新方案的關鍵技術

新論文中闡述的無線電力傳輸系統，工作頻率比微波更高，電力傳輸距離可以超過一個房間。為了將電力傳輸的效率維持在合理的水平上，關鍵就是讓系統工作在菲涅耳區。此區域的電磁場可以被聚焦，讓功率密度可達到足以給多個設備高效充電的級別。

論文的領導作者、杜克大學電氣和計算機工程系的教授和主任 David Smith 如此評論：

「只要你在一定的距離內，你就可以建造天線搜集電磁能量，並且進行聚焦，就像鏡頭聚焦光線那樣。我們設計的系統能夠自動、持續地在房間內任何地方給任何設備充電，讓電池沒電的事成為過去。」

新方案的技術瓶頸與解決

目前的問題是無線電力傳輸系統中的天線，要能夠聚焦房間內的任何設備。例如，這可以通過一個可移動的天線盤來實現，但是這樣會佔用太多空間，沒有人需要這樣一個龐大，移動的衛星天線。

另外一種解決方案就是相控陣，一種將許多微小天線集中到一起的天線，其中的每個小天線可以獨立地調整和調諧。這種技術雖然存在，但是成本太高，而且對於家庭使用來說，耗費能量太多。

超穎材料的應用

然而，論文中的方案依賴於超穎材料，一種由許多獨立的工程單元組合而成的材料，具有自然界中尚未發現的性質。

Smith 說：

「設想電磁波從前面穿過成千上萬微型電氣單元組成的平面，如果你能將每個單元調諧，以一種特殊的方式控制電池波，就可以進行精確地控制，規定它從另外一面穿出來時的磁場是什麼樣的。」

新技術的實驗和應用

Smith 和他的實驗室使用同樣的原理，設計了世界上首個隱形裝置，使物體周圍的電磁場發生彎曲。幾年之前，Smith 研究小組之前的畢業生、博士後 Nathan Kundtz 領導 ISF 團隊開發了這種超穎材料技術，用於衛星通信。團隊發現 Kymeta公司構建的強大的平面天線，不久將取代在大型船隻頂部的巨大的旋轉衛星天線盤。另外三家公司Evolv、Echodyne 、Pivotal 也分別使用了超穎材料進行圖像、雷達和無線通信應用。

系統的設計和面臨的挑戰

在論文中，研究團隊通過計算闡明了基於超穎材料的無線電力傳輸系統的功能。根據研究結果，平面超穎材料設備沒有普通的平面液晶電視大，在達10米的範圍內，將微波束能量集中到一個手機大小的點上。它也能夠同時給多台設備供電。

設計這樣過一個無線傳輸系統，當然也有很多挑戰，比如要開發一個強大的、低成本的、高效的電磁能量源。如果當人或者寵物走進聚焦的磁場束的時候，系統必須自動地關閉。並且，軟體和超穎材料鏡頭的控制必須進行優化，聚焦強大的微波束，而不產生任何不需要二次的「幽靈」光束。

但是，研究人員稱這項技術將會取得成功。Smith 評論道：

「所有這些問題都是容易克服的，他們並不構成障礙。我認為構建一個這樣的系統，可以嵌入在天花板中，給室內的每個設備進行無線充電，這是一個非常可行的方案。」

參考資料

【1】https://techxplore.com/news/2016-10-room-wireless-station.html

【2】An Analysis of Beamed Wireless Power Transfer in the Fresnel Zone Using a Dynamic, Metasurface Aperture: arxiv.org/abs/1610.06799

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