无线电力：将要求与可用技术相匹配

作者： Wi-Charge研发副总裁 Ori Mor

无线电力或无线能量传输的承诺当然不是什么新鲜事。众所周知，尼古拉·特斯拉曾尝试过远程无线能量传输，但他最雄心勃勃的尝试——沃登克里夫塔——因资金不足而失败。从那时起，科学家和工程师在推进这项技术方面取得了长足的进步，但许多人认为这项技术仍然没有达到其崇高的期望。

无线电力的现实是，我们并不像某些人想象的那么遥远。相反，这是了解当前可用的技术并将该技术与适当的用例相匹配的问题。

我们的无线世界无线电源技术无需插入即可为设备充电和供电。例如，智能扬声器可以放置在家中的任何地方，而无需布线丑陋的电线。目前，大多数“无线”物体都依赖于最终需要充电或更换的电池。

这些电池供电的设备通常以性能和功能换取电池寿命。电池供电的安全摄像头每天可能只能流式传输一分钟的视频。有了无线电源，这个限制就被消除了。

那么哪些设备可以不用电线供电呢？那要看。不同的设备有不同的电力需求。不要指望很快就会断开冰箱或电视与电源插座的连接。但是，如果您想在房间内为手机充电并拥有无线环绕扬声器、智能家居设备或游戏控制器，那么正确的无线充电技术可以让这成为现实。

频谱的两个方面为了更好地了解我们的无线电源选项，我们需要查看整个电磁 (EM) 频谱。EM 频带如下图 1 所示。

图 1：电磁波谱

主要感兴趣的是商业开发的无线电和红外 (IR) 波段。它们之间——在 100 GHz 到 10 THz 的范围内——是一个被称为“太赫兹差距”的技术鸿沟，在商业组件方面几乎没有可用的东西。关于“太赫兹间隙”频带对健康的影响也知之甚少。

由于固有的用户体验和安全挑战，可见光和紫外线不是无线电源的理想选择。因此，当我们查看 EM 光谱时，我们实质上是在比较位于 EM 光谱两侧的 RF 和 IR 波段。

权力游戏你需要多少电力，你能提供多少电力？功率以瓦特 (W) 为单位。显然，不同的设备将需要不同的电量来操作或充电。以下是几种设备的典型功耗值。

了解不同设备具有不同需求是确定哪些设备更适合当今存在的无线电源的重要第一步。但这只是问题的第一部分。我们还需要看看可以提供多少电力。为此，我们需要查看限制能量传递的主要因素：距离（受衍射限制）和功率（受安全限制）。

衍射： 想象有人试图从花园软管中取水。水从花园软管“传输”并由人的嘴“接收”。从花园软管流出的水流直径很小。人离花园软管越远，水流的直径就越大，这意味着当他们远离软管时，将捕获的可用水的百分比越小。更多的水将被“浪费”或淋湿其他人或物体。

以类似的方式，当功率束“发散”（变宽）时，发射器与接收器的距离会影响功率捕获能力。如果接收器仅捕获一小部分发射能量，则需要从发射器发送更多能量来为设备供电。

提高效率的一种选择是增加接收器的尺寸，但制造更大的接收器会使该技术对手机或其他便携式设备不太实用。

安全性： 如果只捕获一小部分传输的能量，那么其余的能量就会辐射到环境中。接收器未捕获的功率会使人、动物和物体暴露于附带辐射。根据能量的数量和类型，这可能是不安全的。

寻找合适的技术如果您请一组工程师提出远程无线电源的解决方案，射频 (RF) 可能是一个自然的选择。可供射频使用的商品化组件有很多，射频工程人才也很多。如果射频在通信方面做得很好，那么它在无线电力方面也可能做得很好，这似乎是合乎逻辑的。

不幸的是，事实证明，在无线电力传输方面，使 RF 非常适合通信的特性削弱了它。当您尝试将射频打包成一个紧密的光束并将其发送到某个遥远的点时，它往往会很快分解。事实上，事实证明，在超过 1 m 的距离上传输射频波束几乎是不可能的。我们谈论的是电子设备的实际实现，而不是巨大的天线和射电望远镜天线。

同样，当您提高功率级别时，您会发现超过 0.1 W 左右违反了适用的无线电安全标准。最终，您最终会获得适度的潜在性能包络（远大于磁感应），但同样，您会受到范围和可以支持的功率水平的限制。

RF 或许能够勉强支持一些智能家居应用。例如，它可以支持桌面环境中的无线鼠标或键盘等外围设备——不需要超过 1 m 的应用程序。但是，实现对绝大多数智能家居应用和个人移动设备的有意义的支持仍然超出了射频技术的范畴。

事实证明，如果您正在寻找一种能够在 10 m 的距离和高达 10 W 的功率水平为房间内任何地方的移动设备和智能设备供电的技术，IR 是一个不错的选择，因为它具有两个出色的特性它非常适合提供无线电力。

首先，您可以打包一束非常紧凑的红外能量束并长距离携带。想想一个激光笔，它可以在很长的距离内发射聚焦光束而不会分解。借助 IR，我们有能力在不变形或分解的情况下进行长距离传输，并且仍然为客户端设备提供所有电力。

IR 的第二个特性更有吸引力，它与安全性有关。射频是人造辐射，基本上是在大约 100 到 150 年前发明的。射频可能对所有形式的生命都非常有害，这就是为什么安全限制在这么早的时候就开始起作用的原因。另一方面，红外线一直存在——它约占加热地球的太阳能的一半。当地球上的生命发展起来时，它开发了在红外线中沐浴。结果是我们更适应 IR，并且 IR 的安全限制比无线电放宽了大约 100 倍。

如果将色散的物理现象和安全限制结合起来，您将获得以下可用技术的性能范围：

图 2：电源选项

我们在客户体验（在垫子上、在桌子上、在房间内以及其他地方充电）和外围设备、智能家居设备和智能手机所需的功率水平的背景下对此进行了绘制。

结论虽然我们距离通过无线电源为笔记本电脑等大型设备供电可能还有几年的时间，但效率和安全性的结合表明，IR 可以提供 100 倍于最佳射频技术的能量。换句话说，IR 技术可以提供足够的电力来为大多数现代手机充电。

审核编辑 黄昊宇