原標(biāo)題：最新黑科技來(lái)了！房間級(jí)無(wú)線電力傳輸夢(mèng)想成真 功率超50W 

　　21 世紀(jì)，家家戶戶都有各類電子設(shè)備，比如手機(jī)、智能穿戴、分布式傳感器和機(jī)器人等，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和個(gè)人生活之中。

　　但是，這些電子設(shè)備通常需要有線充電或一次性電池供電，多多少少還是有點(diǎn)麻煩，而且一次性電池還會(huì)造成環(huán)境污染，在這樣的背景下，無(wú)線電力傳輸?shù)暮锰幈粡V泛看好，尤其是伴隨著最新無(wú)線通信技術(shù)的商業(yè)化而備受矚目。現(xiàn)在的無(wú)線功率傳輸技術(shù)，能安全地將功率傳輸?shù)揭恍┵N近的電子設(shè)備中，但眾所周知的問題是，目前可交付的無(wú)線充電和傳輸距離之間的權(quán)衡一直在阻礙著此類技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，想要一種遠(yuǎn)距離、無(wú)線、高功率充電或供電技術(shù)，是整個(gè)工業(yè)界的夢(mèng)想。

　　如今，這個(gè)夢(mèng)想可能很快要成真了。日前，發(fā)表在《自然·電子學(xué)》上的一篇最新論文報(bào)告了一種全新的無(wú)線供電黑科技，研究人員基于多模準(zhǔn)靜態(tài)腔共振（M-QSCR）的方法實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)規(guī)模的無(wú)線功率傳輸，在整個(gè) 3m×3m×2m 的試驗(yàn)室中，實(shí)現(xiàn)了超過 37.1% 的功率傳輸效率，根據(jù)安全指南分析驗(yàn)證，超過 50W 的功率可被輸送到移動(dòng)接收器。

　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，這種貨真價(jià)實(shí)的房間級(jí)磁準(zhǔn)靜態(tài)無(wú)線電力傳輸，可以為智能手機(jī)和小家電等電子設(shè)備輕松充電和供電。

　　設(shè)想一下，如果這種技術(shù)能夠普及開來(lái)，該有多酷？

　　無(wú)線功率傳輸?shù)淖钚侣窂?/p>

　　業(yè)內(nèi)早期對(duì)無(wú)線功率傳輸?shù)膰L試，主要基于電磁（EM）輻射（例如微波），盡管現(xiàn)代波束形成技術(shù)現(xiàn)在能在一定距離內(nèi)有效地傳輸功率，但它們需要大型天線陣列和復(fù)雜的機(jī)制來(lái)進(jìn)行連續(xù)跟蹤。此外，由于微波會(huì)與生物組織產(chǎn)生相對(duì)較大的副作用，因此可能還會(huì)出現(xiàn)安全問題。

　　為了在不損害健康的情況下實(shí)現(xiàn)更高的功率水平，業(yè)界在磁共振耦合方向進(jìn)行了諸多探索，即利用磁場(chǎng)在一對(duì)基于線圈的諧振器之間傳輸功率。然而，隨著距離的增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)迅速降低，這種方法的功率傳輸范圍一般限制在線圈直徑附近。

　　此外，由于耦合不足，具有大發(fā)射機(jī)和小接收機(jī)的不對(duì)稱系統(tǒng)表現(xiàn)出低效率，并且多線圈的使用僅將該范圍擴(kuò)展到二維表面。

　　準(zhǔn)靜態(tài)諧振腔（QSCR）使用具有中心極和插入集總電容器的房間尺度諧振腔，這種方法通過廣泛分布在結(jié)構(gòu)上的電流在房間內(nèi)產(chǎn)生三維磁場(chǎng)分布，與使用傳統(tǒng)腔諧振器用于無(wú)線電源相比，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是將主要干擾生物組織的電場(chǎng)限制在集總電容器內(nèi)，同時(shí)還可以通過調(diào)整集總電容器的值來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)共振頻率。然而，QSCR 的場(chǎng)分布是不均勻的，因而導(dǎo)致有很大一部分房間體積的功率傳輸效率低下。

　　最近有分析表明，通過將 QSCR 擴(kuò)展到多模結(jié)構(gòu)，可以在更大體積上實(shí)現(xiàn)有效的功率傳輸。

　　基于此，研究人員通過實(shí)驗(yàn)證明，可以通過使用一個(gè)房間規(guī)模的多模諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)，該諧振器可以產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)特且分布廣泛的磁場(chǎng)模式，當(dāng)一起使用時(shí)，這些磁場(chǎng)模式足以覆蓋整個(gè)體積。

　　實(shí)驗(yàn)中，研究人員利用 M-QSCR 技術(shù)在整個(gè)尺寸為 3m×3m×2m 的試驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了電力的高效輸送，他們使用由導(dǎo)電表面和集電容器組成的共振結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)具有相互獨(dú)特的振蕩表面電流模式的多個(gè)共振模式。

　　圖｜M-QSCR 技術(shù)原理示意

　　基于這種方法，研究人員展示了電子設(shè)備的最新充電和供電方式，如臺(tái)燈、風(fēng)扇和智能手機(jī)等，都可以在一個(gè)帶家具的房間里實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電。模擬還表明，如此房間規(guī)模的諧振器可以安全地為功率范圍小到 1/5000 的設(shè)備提供超過 50W 的功率。

　　這種方法還有兩種模式，被稱為極點(diǎn)獨(dú)立（PI）模式和極點(diǎn)相關(guān)（PD）模式。

　　圖｜PI 模式和 PD 模式

　　當(dāng) PI 模式被激發(fā)時(shí)，電流僅流經(jīng)墻壁、天花板和地板，并在墻壁附近產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)分布；相反，PD 模式會(huì)產(chǎn)生一個(gè)流過中心極的電流，該電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在中心極周圍循環(huán)，在中心極附近最強(qiáng)。

　　兩種模式產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布覆蓋了每種模式的薄弱區(qū)域。因此，通過復(fù)用這些諧振模式，可以獲得比任何一種模式都能覆蓋的更大體積的強(qiáng)磁場(chǎng)。

　　讓人驚喜的功率傳輸效率

　　研究人員通過模擬和測(cè)量確定 3m×3m×2m 房間尺度諧振器和 150mm×150mm 接收機(jī)之間的功率傳輸效率，接收器的最小功率為通電范圍的 1/5000，這可以被視為高度不對(duì)稱的配置，通常會(huì)受到耦合不足的影響。

　　對(duì)于接收器，研究人員使用六匝 150 mm×150 mm 方形線圈和串聯(lián)電容器連接以調(diào)諧諧振頻率，在測(cè)量中，使用外部驅(qū)動(dòng)線圈來(lái)刺激房間規(guī)模諧振器的諧振模式。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)形成了一個(gè)三維供電范圍，兩種模式成功地互補(bǔ)了彼此的零區(qū)。整個(gè)體積的評(píng)估表明，通過基于接收器位置多路復(fù)用 PI 和 PD 模式，提議的方法在 98.0% 的房間體積中實(shí)現(xiàn)了超過 50% 的效率。

　　此外，在房間體積內(nèi)的任何位置，功率傳輸效率均大于 37.1%。

　　圖｜評(píng)估電力傳輸效率

　　該分析還表明，僅 PD 模式（與先前的單模 QSCR 非常相似）可在 57.5% 的房間體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過 50% 的效率，其效率在靠近墻壁處則會(huì)降低至 1%；當(dāng)僅使用 PI 模式時(shí)（即省略中央導(dǎo)電極時(shí)），可在 52.4% 的房間體積中獲得超過 50% 的效率。

　　總的來(lái)說(shuō)，這種全新的無(wú)線充電方法有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　（1）通過利用多個(gè)共振模式（即磁場(chǎng)模式），可以覆蓋體積的顯著更大部分，而不是單獨(dú)使用任何一種模式；

　　（2）功率傳輸范圍依次形成 3D 體積，傳輸效率對(duì) z 坐標(biāo)的依賴性有限；

　　（3）共振模式的儲(chǔ)備允許省略中心極，這在以前的方法中是必不可少的，同時(shí)仍然覆蓋了房間的大部分。

　　研究人員還注意到，所提出的技術(shù)能夠在不干擾傳統(tǒng)生活方式的情況下無(wú)縫地實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電，其中接收器方向和線圈尺寸會(huì)一定程度影響功率傳輸效率。

　　房間級(jí)無(wú)線供電，安全性如何？

　　看到這里，很多人就有疑問了，我們玩手機(jī)都怕被輻射，如果這項(xiàng)無(wú)線充電技術(shù)走向家用或在公共環(huán)境商用，到底安不安全？對(duì)人體有沒有巨大侵害？

　　在實(shí)驗(yàn)中，研究人員當(dāng)然也考慮到了這層因素，所以對(duì)暴露于電磁場(chǎng)充電范圍內(nèi)人員的影響進(jìn)行了測(cè)試評(píng)估。

　　作為安全措施參考，聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）、電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）等都制定有關(guān)于電磁場(chǎng)暴露的指南，在使用的頻率范圍內(nèi)，電磁場(chǎng)暴露引起的主要健康影響是溫度升高和電刺激。

　　因此，研究人員認(rèn)為，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基于生物組織吸收的功率（即比吸收率（SAR））和對(duì)內(nèi)部電場(chǎng)施加基本限制，是與健康效應(yīng)相關(guān)的物理量。

　　SAR 值取決于輸入功率和功率傳輸效率。例如，如果系統(tǒng)在非負(fù)載（即零效率）條件下驅(qū)動(dòng)，則與高效率條件相比，即使輸入功率較低，暴露水平也會(huì)達(dá)到監(jiān)管限制。這是因?yàn)楣β蕚鬏斝实脑黾釉黾恿藗魉偷浇邮掌鞯墓β实谋壤虼耍鎯?chǔ)在房間尺度諧振器中的無(wú)功能量的比例降低。

　　對(duì)于后續(xù)的安全性分析，研究人員們分析了當(dāng)系統(tǒng)以 50% 的功率傳輸效率運(yùn)行時(shí)，SAR 達(dá)到監(jiān)管閾值時(shí)的輸入功率限制。

　　圖｜基于 SAR 的安全性評(píng)價(jià)

　　出于安全起見，他們采用了一個(gè) 1.88m 全身解剖學(xué)模型，該模型沿房間中心和墻壁之間的線放置在 3 個(gè)位置，身體模型的每個(gè)位置考慮 2 個(gè)共振模式，總共測(cè)試了 6 種配置。

　　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于每個(gè)構(gòu)型，局部 SAR 的閾值都比全身平均 SAR 的閾值更早達(dá)到，且由于這些結(jié)果基于 50% 的功率傳輸效率，因此輸送至負(fù)載的功率為輸入功率的一半。

　　實(shí)驗(yàn)中，所有測(cè)試配置的輸入功率閾值均大于 100 W，此外，如果人員被適當(dāng)安置或限制在特定區(qū)域，輸入功率可能會(huì)進(jìn)一步增加。但整體來(lái)看，這項(xiàng)技術(shù)在合理參數(shù)范圍內(nèi)是可控的。

　　還有一點(diǎn)優(yōu)勢(shì)是，由于這項(xiàng)研究提出的方法是使用準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)，通過調(diào)整集總電容的值，可以靈活地確定房間尺寸和接收器尺寸，與工作波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。

　　另外，使用準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)的另一個(gè)好處是，日常家居物體的存在不會(huì)顯著影響系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

　　研究人員展望，鑒于系統(tǒng)尺寸的靈活性和對(duì)外部物體造成干擾的魯棒性，這項(xiàng)技術(shù)有望廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)景，包括充電柜、無(wú)線充電室和工廠等。

　　目前唯一的限制是接收器線圈還需要與環(huán)境磁場(chǎng)垂直定向，以在每個(gè)點(diǎn)獲得最大效率，但研究人員表示，由于這種供電或充電技術(shù)技術(shù)覆蓋了整個(gè)房間的體積，未來(lái)可以通過很多外圍的技術(shù)克服這一挑戰(zhàn)。