2019年09月10日 | 远距离无线充电技术不是不可能

翻译自——imec，Huib Visser

因为一种使用多天线新方法的诞生，使得物联网设备(甚至智能手机)的无线充电正在变成现实。为此，荷兰imec的资深研究员Huib Visser对目前的现状和未来的发展做了一个简要的介绍。

你可能会说，由于感应式充电器已经上市很长时间了，“智能手机的无线充电已成为可能”。当然，这并非完全不正确，但“无连接充电”或许更适合描述当今的技术，因为感应充电仍然需要充电站和其设备之间保持密切联系。这不仅限制了它在智能手机上的使用，还使得目前的方法与将日益充斥我们周围的物联网设备充电的要求不相容。

得益于5G、工业4.0、智能城市、智能交通等领域的发展，我们将看到电池驱动设备的增长。通过有线连接或短程感应充电是不可能的。相反，它们需要从周围环境中获取能量。特别是在室内应用中，而其他方法，如光伏或热能转换很快就达到了限制，所以说，无线充电是一个很好的候选。

真正的无线充电在某种程度上意味着:在不需要直接瞄准移动设备和固定设备的情况下，远距离传输足够的电能。到目前为止，还没有一种技术进入市场，并符合上述任何一种规格。然而， imec最近有了新的技术突破，人们可以开始梦想一个不那么遥远的未来，在那里所有这些都可能成为现实。

受物理定律和政府的限制

正如无线电力联盟主席Menno Treffers在他的博客“Dreaming of power through the air”中提到的，人类暴露于射频电磁场的安全限制可能是远距离无线充电尚未进入市场的最重要因素之一。物理学定律表明，在球形膨胀的电磁波中，功率密度随距离呈二次递减。对于超低功耗的设备，这仍然可以在距离充电站几米远的地方产生足够的电能。因此，对于这个特定的条件，已经可以找到商业解决方案。所以说，传输足够电力的距离很容易得到改善。

第一个实验结果证明了物联网传感器的远距离供电能力

imec已经在2018年建造了一个演示器，在距离3瓦eirp发射机(eirp是发射功率和天线增益的乘积)5米远的地方，实现了25微瓦(1、5或3V)的连续功率预算。与商业设备相比，这是两到三倍的改进，在距离上可以获得这样的电力能量。

通过将这些能量储存在冷凝器中，每两分钟就有可能在几微秒内释放出几十毫瓦的能量。这足以唤醒一台收音机，激活一个传感器来测量一些数据，并将这些数据无线传输到接收器上。imec在915MHz和245GHz频段中演示了一个场景，这两个频段分别是美国和世界范围内工业、科学和医学(ism)的两个免许可证频段。

为了得到这些结果，imec建立了两个专门的rectenna(整流天线)原型，以确保在接收端功率转换。对于这些原型，imec使用了一种非传统的方法来进行系统优化。imec没有单独优化每个模块(整流器、变换器、电源管理电路……)，而是选择了次优整流天线:提供相对较高的直流电压，但在可用的功率包络线中创建一个开口，以进一步优化电源管理电路。这导致了比单独优化每个构建块时更好的总体系统性能。

两个rectenna原型用于无线充电装置中的电能转换

两个rectenna原型用于无线充电装置中的电能转换。一个用于915MHz美国-ism频段(左)和一个全球2.45 GHz ism频段(右)。两个rectennas都有一个集成在PCB上的小型化天线。2.45 GHz的rectenna被一个接地屏蔽装置，集成在金属外壳上。

虽然对物联网传感器来说足够了，但实现的电力输出远远不足以为智能手机等设备供电。而在接收方，几乎根本没有什么可获得的。要获得为高功率设备充电所需的功率密度，就必须将发射器调高到法律上无法接受的水平。

多天线设置，以克服较大距离的功率限制

通过将多个天线的发射器强度以三角形的方式结合起来，就可以在不超过任何辐射限制的情况下，在不“污染”气泡外的频谱的情况下，制造出一个功率密度足够高的相对较小的球形气泡。

通过使用具有多个天线(顶部)的三角形概念，可以在不超过任何法定辐射限制的情况下创建聚焦的高功率气泡(右图)。图左:一个经典的球形广播天线图案。中间图:一个定向天线，正在5G场景中进行研究，但其在ism波段的适用性仍然有限。

在这种情况下，所有天线都可以在法律允许的最大功率下发射，但发射时间间隔不同。所产生的球形电磁波将彼此独立传播(并遭受二次功率衰减)。通过巧妙设计时间间隔，我们可以创建一个焦点，使这些波在相位上聚集在一起。在这个焦点区域，能量密度会相互叠加，形成一个更高能量密度的气泡，可以放置在需要充电的电池供电设备上。

对于N个天线阵列，平均功率增益为N，峰值功率为N×2。也就是说有了两根天线，你的平均功率增加了两倍，峰值功率增加了四倍。这是一种比5G环境下正在研究的智能天线场景更先进的方法。这些使用定向光束，但仍然受到ism波段的法律权力限制。

从看见到看不见，从固定到移动

利用这种方法，imec进行了一系列成功的实验。在非优化的设置、非理想脉冲和大量散射的情况下，这些测试证实了理论上的功率增益——通过调整时间间隔——功率气泡可以在指定位置产生。很有希望的是，由于其明显的简单性，这种设置被选择的可能性很大，天线相对远离，并且物体的位置是固定的并且是预先已知的。

现在，imec将整个理念提升到了一个新的层次;此技术也正在申请专利。正在进行的研究包括将天线放置在更近的位置(这样它们就可以成为同一个基站的一部分)，而物体则不必处于直接视线之内。通过对返回基站的发射器信号的散射和反射的解析，我们可以找到一种给设备充电的方法，即使它们在拐角处，或者如果一个物体是发射器和接收器之间的直接路径。这个方式一旦通过，该特性将成为实现现实应用的重要资产，其中一个站点可以在同一房间为多个(IoT)设备充电，而不会受到附近其他对象的阻碍。

为了更进一步发展，imec正在开发一种对需要充电的设备进行被动位置检测的方法。即使接收设备的电池是空的，来自基站的信号仍然可以检索设备的位置并开始充电。这种解决方案在智能手机充电的场景中尤其重要，因为没有人真的想每次充电时都把智能手机放在同一个地方。

对于物联网设备来说，此功能可能乍一看不那么重要,因为大多数物联网传感器将被安装在一个固定的地方(如安装在墙上的空气质量传感器),或有可能返回到一个已知位置(例如传感器工业机器人,每个操作后返回他的备用位置)。然而，对于物联网传感器来说，位置检测的潜在优势不可低估。功率限制是iot系统设计中最严格的规范之一。特别的是，电池驱动的传感器需要在一次充电的情况下具有几年的自主性。这意味着可以传输的数据量必须保持在最低限度，更不用说可以嵌入这种传感器的计算智能的严格限制。

如果被动位置检测可以让充电站检测并给不在固定位置的物联网传感器充电呢?这将大大增加可用的电力预算，从而提高可嵌入其中的智能水平。

Imec目前正在进行实验设置，并正在积极寻找行业合作伙伴，希望在开发这些概念和技术方面突破性进展，这些概念和技术可以转移到行业解决方案提供商。