使用毫米波实现一种无线电力传输系统的解决方案

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

无线功率传输一直是行业内的热门话题。一家来自加州理工学院的初创公司已经实现了一种无线电力传输系统，该系统使用射频（RF）波，特别是毫米波（mmWave），也用于5G技术的频率，在空中传输电能。GuRu Wireless，Inc.的联合创始人兼首席执行官Florian Bohn向我们介绍了他的无线技术如何在几米范围内为几乎任何设备充电。该技术得益于功率传输的小型化和效率方面的深入发展。

“为什么是毫米波频率？使用毫米波可以使我们有效地将功率从A点通过空中传递到B点。最终，您无法超越物理定律，并且功率传输受到衍射的限制，” Bohn说。

他补充说：“衍射是限制显微镜的同一过程，暗示电磁波是光的一种形式。当您尝试以24 GHz的频率从A点向B点发送功率时，波长为1.25厘米。这意味着您可以选择约1.25厘米的小区域，并能够高效地将所需的电力发送到那里。另一方面，波长为2.4 GHz（例如用于Wi-Fi）时，波长要大十倍，使用该波长将限制覆盖范围以及可达到的范围和效率。”

尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）技术
无线发送电力的想法并不新鲜：自从首次提出该想法的尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）时代起，多年来就针对不同的应用出现了许多技术。Bohn指出，使GuRu设计更高效的原因在于其mmWave技术允许以受控和安全的方式发送功率。

物联网设备的兴起对从业人员提出了持续的挑战，尤其是在设计领域，因为设备需要电源。除了电动汽车和移动电子设备领域，无线电源传输是物联网领域中讨论最多的主题之一。尽管无线设计方法是众所周知的，但用于空中无线功率传输的发射机的设计，它们的放置，效率的最大化和系统验证代表着新的和复杂的挑战，这些挑战需要特定的技能并需要使用先进的工具，例如数值模拟。

设计能够在米的距离上可靠运行的无线电力传输系统需要专门知识，例如准确预测线圈天线以及电路的电磁和热性能，以及设计用于驱动和控制所有操作的逻辑控制电路整个系统。

GuRu无线电源
GuRu的可扩展无线电源模块包括发送和接收天线，并由一系列集成的毫米波芯片供电。可分块的模块和芯片可实现可定制的，具有成本效益的和小型化的解决方案。

“一种类型的应用是工业/汽车，我们可以在其中安装用于气候控制，座椅，安全带检测的传感器，以及其他一些需要在不使用麻烦电线的情况下为它们供电的传感器。通过我们的技术，您不仅可以为这些设备供电，还可以集成一些功能，这样您就可以感知传感器的位置或门是否打开或关闭。” Bohn说。

图1：传统的2.4 GHz模块（来源：GuRu）。

24 GHz的频段非常干净；最大的优势之一是可以创建紧密的点对点连接。该频段的发射也不会干扰Wi-Fi和蓝牙。博恩说：“因此，电磁能量非常有限。”

GuRu的技术涉及控制光束的方向和数量，以优化效率。Smart RF Lensing甚至可以将多束能量发送到很小的接收器，这使得发送设备可以缩小以适合桌子或墙壁。它还使GuRu的系统能够为手机甚至更小的IoT和智能家居设备充电。

诸如此类的无线电源技术对于传感器网络非常实用，无需电池或支持为所有放置电池更换问题的设备充电。安装在天花板上的一个原型可以向超过10英尺远的设备供电，而另一个原型可以为会议桌灯附近的多部电话充电。此外，我们可以让一个机器人在一个房间到另一个房间漫游，以感知无线设备的电源需求并在没有物理接触的情况下为它们充电。博恩说，诸如智能家居和整个工业物联网部门之类的一些部门将从无线无线供电和充电中受益匪浅。他补充说：“如果您有很多传感器，则不希望它们一个接一个地连接或更换电池，因此无线充电可以帮助您，并提供很高的投资回报率。”

Bohn告诉我们，GuRu的一个发电机组可以在2-3小时内将iPhone 11的13Wh电池充满电。发电机单元的尺寸根据使用情况而变化。

编辑：hfy