新型无线充电技术：让房间成为无线充电站

这幅图片展示了房间平面屏幕菲涅耳区域无线电力传输系统给智能设备充电。
（图片来源于：杜克大学）

引言

目前，无线充电技术的传输距离和效率仍然是业界难题。而新的研究成果表明，未来某一天，位于室内墙壁上的类似于液晶电视的平面屏幕板，将可以给在它视线范围内任意设备充电。

这项研究发表在2016年10月23日的 arXiv 电子预印本知识库。来自于华盛顿大学、杜克大学以及高智旗下的科学发明基金（ISF）的工程师们表明他们已有技术能力构建这样的系统，目前只是需要花一些时间进行设计。

华盛顿大学电气工程以及计算机科学和工程专业的副教授，论文的合著者 Matt Reynolds 认为：

“目前，笨重的充电板和繁琐的充电线，束缚了智能手机或者平板电脑的移动性，所以寻找替代方案的需求巨大。我们的方案利用了广泛使用的LCD技术，完美地向各种智能设备提供无线充电服务。”

“将微波能量束安全地直接聚焦，为特定设备充电，同时避免对于人、宠物和其他物体产生不良影响，这种能力改变了无线充电技术的规则。我们目前正在研究寻找液晶的替代品，使能量能够在更高功率水平，更长远的距离范围内传输。”

现有无线充电方案的瓶颈

目前，一些无线充电系统已经可以给扬声器、手机、平板电脑充电。这些技术依赖的平台本身需要有线圈，而且这些接受充电的设备必须贴近无线充电站。

原因是目前的充电器使用磁场在近场传输能量。流过线圈的电流产生的磁场，在靠近线圈的地方相当大，可以诱发邻近位置的线圈中产生电流。磁场也被认为相对于人体是安全的，所以成为无线电力传输的一个方便的选择。

磁场近场方案，并不适合远距离电力无线传输。这是因为在发射源和接收器之间的耦合，这样导致电力传输效率随着距离急剧下降。

新方案的关键技术

新论文中阐述的无线电力传输系统，工作频率比微波更高，电力传输距离可以超过一个房间。为了将电力传输的效率维持在合理的水平上，关键就是让系统工作在菲涅耳区。此区域的电磁场可以被聚焦，让功率密度可达到足以给多个设备高效充电的级别。

论文的领导作者、杜克大学电气和计算机工程系的教授和主任 David Smith 如此评论：

“只要你在一定的距离内，你就可以建造天线搜集电磁能量，并且进行聚焦，就像镜头聚焦光线那样。我们设计的系统能够自动、持续地在房间内任何地方给任何设备充电，让电池没电的事成为过去。”

新方案的技术瓶颈与解决

目前的问题是无线电力传输系统中的天线，要能够聚焦房间内的任何设备。例如，这可以通过一个可移动的天线盘来实现，但是这样会占用太多空间，没有人需要这样一个庞大，移动的卫星天线。

另外一种解决方案就是相控阵，一种将许多微小天线集中到一起的天线，其中的每个小天线可以独立地调整和调谐。这种技术虽然存在，但是成本太高，而且对于家庭使用来说，耗费能量太多。

超颖材料的应用

然而，论文中的方案依赖于超颖材料，一种由许多独立的工程单元组合而成的材料，具有自然界中尚未发现的性质。

Smith 说：

“设想电磁波从前面穿过成千上万微型电气单元组成的平面，如果你能将每个单元调谐，以一种特殊的方式控制电池波，就可以进行精确地控制，规定它从另外一面穿出来时的磁场是什么样的。”

新技术的实验和应用

Smith 和他的实验室使用同样的原理，设计了世界上首个隐形装置，使物体周围的电磁场发生弯曲。几年之前，Smith 研究小组之前的毕业生、博士后 Nathan Kundtz 领导 ISF 团队开发了这种超颖材料技术，用于卫星通信。团队发现 Kymeta公司构建的强大的平面天线，不久将取代在大型船只顶部的巨大的旋转卫星天线盘。另外三家公司Evolv、Echodyne 、Pivotal 也分别使用了超颖材料进行图像、雷达和无线通信应用。

系统的设计和面临的挑战

在论文中，研究团队通过计算阐明了基于超颖材料的无线电力传输系统的功能。根据研究结果，平面超颖材料设备没有普通的平面液晶电视大，在达10米的范围内，将微波束能量集中到一个手机大小的点上。它也能够同时给多台设备供电。

但是，研究人员称这项技术将会取得成功。Smith 评论道：

“所有这些问题都是容易克服的，他们并不构成障碍。我认为构建一个这样的系统，可以嵌入在天花板中，给室内的每个设备进行无线充电，这是一个非常可行的方案。”

参考资料

【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: