無線功率傳輸

　　今天各式各樣備受吹捧的無線類小玩意稱為無線“傳遞”設(shè)備或許更為恰當(dāng)，因為從某方面來說，它們?nèi)匀恍枰�借助一條導(dǎo)線把電源從墻上的插座引入設(shè)備中。而事實上，人們早已能夠利用無線方式將數(shù)百千瓦的功率成功進行遠距離傳輸。雖然對無線功率傳輸?shù)年P(guān)注一直以來都集中在兆瓦級(如太陽能收集)或毫瓦級(如RFID)，但是現(xiàn)在是時候?qū)⑦@項技術(shù)引入到各種便攜式無線應(yīng)用中。

　　無線功率傳輸發(fā)展史

　　通過波束發(fā)射能量的想法并不新奇。早在1899年，Nikola Tesla在Wardenclyffe進行的無線功率傳輸實驗就證明，可以在沒有導(dǎo)線的情況下點亮25英里以外的氖氣照明燈。

　　而創(chuàng)建于1934年的美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)，則將2.4-2.5GHz的頻段作為工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)領(lǐng)域的保留頻段，從而使人們可以在該范圍進行重大意義的科學(xué)研究。二戰(zhàn)期間，利用磁電管將電能轉(zhuǎn)換成微波的技術(shù)被成功開發(fā)。但是將微波轉(zhuǎn)回電流的方法直到1964年才被發(fā)現(xiàn)，在這一年里，William C. Brown成功驗證了一個可以把微波轉(zhuǎn)換成電流的硅整流二極管天線。

　　1968年，Peter Glaser提出了在功率級別遠低于國際安全標(biāo)準(zhǔn)的條件下，利用微波從太陽能動力衛(wèi)星向地面?zhèn)鬏敼β实南敕�；而�?987年10月7日的一項固定高海拔中繼平臺(SHARP)實驗中，一架小型飛機依靠RF波束提供的能量在空中飛行。此次飛行首開國際航空聯(lián)盟同類實驗的先河。

　　最后在1995年，NASA設(shè)立了一個集科研、技術(shù)和投資學(xué)習(xí)于一身的250MW太陽能動力系統(tǒng)(SPS)，而日本的目標(biāo)則是在2025年建立一個低成本的示范模型。

　　波束功率傳輸原理

　　通過定向天線發(fā)射RF功率相對來是一個無損過程，產(chǎn)出效率大概在85%左右，足以與任一款高性能的開關(guān)調(diào)節(jié)器相媲美。兩個天線之間的能量傳輸效率由天線的尺寸、RF波波長以及天線間的距離來決定(這里為了簡化問題假定無傳輸損耗，因此方程中不包含波束強度)。如果設(shè)發(fā)射天線直徑為DT、接收天線直徑為DR、RF波長為λ(λ=1/f，f為RF頻率)、天線距離為H，而k則作為比例系數(shù)(通常選擇1.2)，我們可以得到：

　　DTDR = 2kλH [1]

　　很自然，我們還會考慮功率密度問題。例如，F(xiàn)DA強制規(guī)定在距微波爐表面兩英寸處，每平方厘米的微波輻射應(yīng)為5毫瓦。除了滿足方程[1]外，這樣的安全要求可能會對天線尺寸的小型化有所限制。

　　無繩功率傳輸

　　無繩功率傳輸?shù)男枨笄熬胺浅Ｃ骼�。目前有關(guān)實現(xiàn)方面的技術(shù)問題已經(jīng)基本解決，現(xiàn)在需要努力的，就是將該技術(shù)從大規(guī)模的兆瓦級和毫瓦級應(yīng)用向便攜式計算、消費和通訊設(shè)備領(lǐng)域擴展。由于沒有了信號線，所以無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備中的電源線就顯得異常突兀和刺眼。例如，既然今天的平板電視可以掛在墻上，那么如果電源也可以不用插到墻上的插座就能獲得那就太棒了。

　　未來發(fā)展

　　繼收集周圍環(huán)境中的雜散功率之后，波束功率傳輸應(yīng)該是接下來要做的事情。從工業(yè)角度來看，功率收集本身雖然是一個新概念，但是現(xiàn)在已經(jīng)逐步被技術(shù)人員所接受。

　　事實上一些人可能會認(rèn)為，在目前的狀況下，將“收集”表述成“凈化”更為恰當(dāng)，因為這個概念主要是對漂浮在空氣中的雜散能量進行搜索和收集。雖然當(dāng)前的能量收集技術(shù)主要關(guān)注于功率鏈的接收端，但是波束功率傳輸卻稱得上是真正的工業(yè)級能量收集，它從源頭開始考慮發(fā)射到收集的整個過程，從“能量在你能發(fā)現(xiàn)它的地方”轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳芰吭谀阋詿o線方式設(shè)置它的地方”。


來源：電子工程專輯 作者：Reno Rossetti