今天各式各样备受吹捧的无线类小玩意称为无线“传递”设备或许更为恰当,因为从某方面来说,它们仍然需要借助一条导线把电源从墙上的插座引入设备中。而事实上,人们早已能够利用无线方式将数百千瓦的功率成功进行远距离传输。虽然对无线功率传输的关注一直以来都集中在兆瓦级(如太阳能收集)或毫瓦级(如RFID),但是现在是时候将这项技术引入到各种便携式无线应用中。
无线功率传输发展史
通过波束发射能量的想法并不新奇。早在1899年,Nikola Tesla在Wardenclyffe进行的无线功率传输实验就证明,可以在没有导线的情况下点亮25英里以外的氖气照明灯。
而创建于1934年的美国联邦通讯委员会(FCC),则将2.4-2.5GHz的频段作为工业、科学和医疗(ISM)领域的保留频段,从而使人们可以在该范围进行重大意义的科学研究。二战期间,利用磁电管将电能转换成微波的技术被成功开发。但是将微波转回电流的方法直到1964年才被发现,在这一年里,William C. Brown成功验证了一个可以把微波转换成电流的硅整流二极管天线。
1968年,Peter Glaser提出了在功率级别远低于国际安全标准的条件下,利用微波从太阳能动力卫星向地面传输功率的想法；而在1987年10月7日的一项固定高海拔中继平台(SHARP)实验中,一架小型飞机依靠RF波束提供的能量在空中飞行。此次飞行首开国际航空联盟同类实验的先河。
最后在1995年,NASA设立了一个集科研、技术和投资学习于一身的250MW太阳能动力系统(SPS),而日本的目标则是在2025年建立一个低成本的示范模型。
波束功率传输原理
通过定向天线发射RF功率相对来是一个无损过程,产出效率大概在85%左右,足以与任一款高性能的开关调节器相媲美。两个天线之间的能量传输效率由天线的尺寸、RF波波长以及天线间的距离来决定(这里为了简化问题假定无传输损耗,因此方程中不包含波束强度)。如果设发射天线直径为DT、接收天线直径为DR、RF波长为λ(λ=1/f,f为RF频率)、天线距离为H,而k则作为比例系数(通常选择1.2),我们可以得到:
DTDR = 2kλH [1]
很自然,我们还会考虑功率密度问题。例如,FDA强制规定在距微波炉表面两英寸处,每平方厘米的微波辐射应为5毫瓦。除了满足方程[1]外,这样的安全要求可能会对天线尺寸的小型化有所限制。
无绳功率传输
无绳功率传输的需求前景非常明朗。目前有关实现方面的技术问题已经基本解决,现在需要努力的,就是将该技术从大规模的兆瓦级和毫瓦级应用向便携式计算、消费和通讯设备领域扩展。由于没有了信号线,所以无线数据传输设备中的电源线就显得异常突兀和刺眼。例如,既然今天的平板电视可以挂在墙上,那么如果电源也可以不用插到墙上的插座就能获得那就太棒了。
未来发展
继收集周围环境中的杂散功率之后,波束功率传输应该是接下来要做的事情。从工业角度来看,功率收集本身虽然是一个新概念,但是现在已经逐步被技术人员所接受。
事实上一些人可能会认为,在目前的状况下,将“收集”表述成“净化”更为恰当,因为这个概念主要是对漂浮在空气中的杂散能量进行搜索和收集。虽然当前的能量收集技术主要关注于功率链的接收端,但是波束功率传输却称得上是真正的工业级能量收集,它从源头开始考虑发射到收集的整个过程,从“能量在你能发现它的地方”转变为“能量在你以无线方式设置它的地方”。
作者:Reno Rossetti
集成电路部门战略总监
飞兆半导体
京公网安备 11011202001138号
