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遠距離無線充電技術不是不可能

翻譯自——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)的無線充電正在变成现实。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,“智能手机的無線充電已成为可能”。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,無線充電是一个很好的候选。
 
真正的無線充電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無線充電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決方案。所以说,传输足够电力的距离很容易得到改善。
 
第一個實驗結果證明了物聯網傳感器的遠距離供電能力
 
imec已經在2018年建造了一個演示器,在距離3瓦eirp發射機(eirp是發射功率和天線增益的乘積)5米遠的地方,實現了25微瓦(1、5或3V)的連續功率預算。與商業設備相比,這是兩到三倍的改進,在距離上可以獲得這樣的電力能量。
 
通過將這些能量儲存在冷凝器中,每兩分鍾就有可能在幾微秒內釋放出幾十毫瓦的能量。這足以喚醒一台收音機,激活一個傳感器來測量一些數據,並將這些數據無線傳輸到接收器上。imec在915MHz和245GHz頻段中演示了一個場景,這兩個頻段分別是美國和世界範圍內工業、科學和醫學(ism)的兩個免許可證頻段。
 
爲了得到這些結果,imec建立了兩個專門的rectenna(整流天線)原型,以確保在接收端功率轉換。對于這些原型,imec使用了一種非傳統的方法來進行系統優化。imec沒有單獨優化每個模塊(整流器、變換器、電源管理電路……),而是選擇了次優整流天線:提供相對較高的直流電壓,但在可用的功率包絡線中創建一個開口,以進一步優化電源管理電路。這導致了比單獨優化每個構建塊時更好的總體系統性能。
 
两个rectenna原型用于無線充電装置中的电能转换

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两个rectenna原型用于無線充電装置中的电能转换。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。
 
雖然對物聯網傳感器來說足夠了,但實現的電力輸出遠遠不足以爲智能手機等設備供電。而在接收方,幾乎根本沒有什麽可獲得的。要獲得爲高功率設備充電所需的功率密度,就必須將發射器調高到法律上無法接受的水平。
 
多天線設置,以克服較大距離的功率限制
 
通過將多個天線的發射器強度以三角形的方式結合起來,就可以在不超過任何輻射限制的情況下,在不“汙染”氣泡外的頻譜的情況下,制造出一個功率密度足夠高的相對較小的球形氣泡。

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通過使用具有多個天線(頂部)的三角形概念,可以在不超過任何法定輻射限制的情況下創建聚焦的高功率氣泡(右圖)。圖左:一個經典的球形廣播天線圖案。中間圖:一個定向天線,正在5G場景中進行研究,但其在ism波段的適用性仍然有限。
 
在這種情況下,所有天線都可以在法律允許的最大功率下發射,但發射時間間隔不同。所産生的球形電磁波將彼此獨立傳播(並遭受二次功率衰減)。通過巧妙設計時間間隔,我們可以創建一個焦點,使這些波在相位上聚集在一起。在這個焦點區域,能量密度會相互疊加,形成一個更高能量密度的氣泡,可以放置在需要充電的電池供電設備上。
 
對于N個天線陣列,平均功率增益爲N,峰值功率爲N×2。也就是說有了兩根天線,你的平均功率增加了兩倍,峰值功率增加了四倍。這是一種比5G環境下正在研究的智能天線場景更先進的方法。這些使用定向光束,但仍然受到ism波段的法律權力限制。
 
從看見到看不見,從固定到移動

 
利用這種方法,imec進行了一系列成功的實驗。在非優化的設置、非理想脈沖和大量散射的情況下,這些測試證實了理論上的功率增益——通過調整時間間隔——功率氣泡可以在指定位置産生。很有希望的是,由于其明顯的簡單性,這種設置被選擇的可能性很大,天線相對遠離,並且物體的位置是固定的並且是預先已知的。
 
現在,imec將整個理念提升到了一個新的層次;此技術也正在申請專利。正在進行的研究包括將天線放置在更近的位置(這樣它們就可以成爲同一個基站的一部分),而物體則不必處于直接視線之內。通過對返回基站的發射器信號的散射和反射的解析,我們可以找到一種給設備充電的方法,即使它們在拐角處,或者如果一個物體是發射器和接收器之間的直接路徑。這個方式一旦通過,該特性將成爲實現現實應用的重要資産,其中一個站點可以在同一房間爲多個(IoT)設備充電,而不會受到附近其他對象的阻礙。
 
爲了更進一步發展,imec正在開發一種對需要充電的設備進行被動位置檢測的方法。即使接收設備的電池是空的,來自基站的信號仍然可以檢索設備的位置並開始充電。這種解決方案在智能手機充電的場景中尤其重要,因爲沒有人真的想每次充電時都把智能手機放在同一個地方。
 
對于物聯網設備來說,此功能可能乍一看不那麽重要,因爲大多數物聯網傳感器將被安裝在一個固定的地方(如安裝在牆上的空氣質量傳感器),或有可能返回到一個已知位置(例如傳感器工業機器人,每個操作後返回他的備用位置)。然而,對于物聯網傳感器來說,位置檢測的潛在優勢不可低估。功率限制是iot系統設計中最嚴格的規範之一。特別的是,電池驅動的傳感器需要在一次充電的情況下具有幾年的自主性。這意味著可以傳輸的數據量必須保持在最低限度,更不用說可以嵌入這種傳感器的計算智能的嚴格限制。
 
如果被動位置檢測可以讓充電站檢測並給不在固定位置的物聯網傳感器充電呢?這將大大增加可用的電力預算,從而提高可嵌入其中的智能水平。
 
Imec目前正在進行實驗設置,並正在積極尋找行業合作夥伴,希望在開發這些概念和技術方面突破性進展,這些概念和技術可以轉移到行業解決方案提供商。

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