百年盲點(diǎn) 眾所矚目——備受期待的無(wú)線(xiàn)電力傳輸技術(shù)

   無(wú)線(xiàn)供電從19世紀(jì)末左右的尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）開(kāi)始，一直是眾多研究人員和技術(shù)人員研究的對(duì)象。但是，由于效率低和對(duì)安全方面的擔(dān)憂(yōu)，該技術(shù)的實(shí)用化，隨著被動(dòng)式無(wú)線(xiàn)標(biāo)簽（RFID標(biāo)簽）和無(wú)繩電話(huà)使用的非接觸充電技術(shù)的出現(xiàn)，用了100年時(shí)間?！度战?jīng)電子》預(yù)定于2007年9月3日召開(kāi)研討會(huì)——“電源線(xiàn)消失之日：實(shí)現(xiàn)百年期待”。此次研討會(huì)，除非接觸充電技術(shù)外，日本國(guó)內(nèi)外的技術(shù)和研究人員還將介紹為數(shù)米之外的手機(jī)和個(gè)人電腦以無(wú)線(xiàn)方式充電等供電技術(shù)的最新開(kāi)發(fā)動(dòng)向。

　　其中，來(lái)自美國(guó)的兩位演講人已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了為數(shù)米外的機(jī)器傳輸電力的技術(shù)，并因此成為了全球焦點(diǎn)，可謂是當(dāng)下的“紅人”。他們中的一位是波士頓美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的物理學(xué)助教馬林·索爾賈?？耍∕arin Soljacic），另一位則是總部位于匹茲堡（波士頓附近）的美國(guó)Powercast公司的工程副總裁Tim Towell。

　　MIT和Powercast的研究開(kāi)發(fā)有兩點(diǎn)非常獨(dú)特：其一，二者在開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)電力傳輸技術(shù)時(shí)都瞄準(zhǔn)了此前被忽視了百年之久的“電子學(xué)盲點(diǎn)”；其二，二者的技術(shù)在出發(fā)點(diǎn)上極具對(duì)比性。

MIT以“不發(fā)出電磁波的天線(xiàn)”實(shí)現(xiàn)

　　首先，MIT索爾賈希克的研究開(kāi)發(fā)的劃時(shí)代意義，在于推出了同時(shí)實(shí)現(xiàn)以下兩種設(shè)想的系統(tǒng)：（1）利用高Q值（500～2500）的共振技術(shù)；（2）積極利用不向遠(yuǎn)處傳播的“電磁近場(chǎng)”。（1）指的是以LC共振器為代表的技術(shù)，從礦石收音機(jī)時(shí)代沿用至今。另一方面，（2）中的近場(chǎng)此前很少用于一般電子產(chǎn)品，需要稍作介紹。

　　在庫(kù)侖定律中，電場(chǎng)E的強(qiáng)度與電荷之間的距離的平方成反比。不過(guò)，這里設(shè)想的只是“點(diǎn)狀電荷”發(fā)出放射狀電力線(xiàn)時(shí)的簡(jiǎn)單模型。然而對(duì)于實(shí)際的電子，點(diǎn)狀電荷的設(shè)想并不現(xiàn)實(shí)，在普遍情況下，電荷會(huì)分布在一定的范圍內(nèi)并發(fā)出電場(chǎng)。這時(shí)，電場(chǎng)的“組成”含有多個(gè)強(qiáng)度成分。其中包括強(qiáng)度與距離的平方成反比的成分、與距離的立方成反比的成分，以及與距離的四次方、五次方等高次方成反比的成分。高次方成分的比例是由電荷分布的形狀和復(fù)雜性決定的，也會(huì)受到角度的影響。這些高次方成分就是前面所說(shuō)的近場(chǎng)。立方以上的高次方成分會(huì)隨著與電荷距離的增加迅速減弱。但是，在距電荷較近的位置，有時(shí)會(huì)強(qiáng)于平方成分。

　　一般來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)的電荷分布并非靜止，而是隨時(shí)間變化，因此會(huì)產(chǎn)生電磁波。電磁波與電場(chǎng)和磁場(chǎng)中平方成分的時(shí)間變化密切相關(guān)。另一方面，近場(chǎng)的高次方成分會(huì)發(fā)生時(shí)間變化，但不會(huì)向遠(yuǎn)處傳播。也就是說(shuō)，在距天線(xiàn)較近的位置，“存在是無(wú)線(xiàn)介質(zhì)但并非電磁波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)”。

　　在此之前，電磁波早已達(dá)到了實(shí)用水平，并與共振技術(shù)一起用于通信技術(shù)。與之相反，近場(chǎng)及其時(shí)間變化成分不僅沒(méi)有得到利用，還被當(dāng)成了電磁干擾的主要原因之一，成為抑制對(duì)象。如果除去電磁感應(yīng)使用的線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，對(duì)于電子學(xué)來(lái)說(shuō)，近場(chǎng)曾經(jīng)是一個(gè)盲點(diǎn)。

　　MIT的索爾賈?？艘环闯Ｒ?guī)，最大限度地利用了近場(chǎng)，并開(kāi)發(fā)出了由電磁波盡可能少的天線(xiàn)組成的電力傳輸系統(tǒng)。這就是“Wireless Non-radiative Power Transfer”。開(kāi)發(fā)這種天線(xiàn)，需要在天線(xiàn)的形狀以及特定振動(dòng)模式的激發(fā)方面下功夫。索爾賈?？擞?007年6月在《科學(xué)（Science）》雜志上發(fā)表的傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以磁場(chǎng)的共振為基礎(chǔ)，利用線(xiàn)圈狀天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了2m距離的60W電力傳輸（參閱本站報(bào)道）。

　　這乍一看是一種基于電磁感應(yīng)的電力傳輸，實(shí)際上卻融合了共振技術(shù)，與電磁感應(yīng)完全不同。其實(shí)，索爾賈?？说碾娏鬏斚到y(tǒng)“可以發(fā)出強(qiáng)度與貫穿線(xiàn)圈內(nèi)部的磁通量變化幅度成正比的電動(dòng)勢(shì)”，傳輸?shù)碾娏h(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)法拉第電磁感應(yīng)定律。使用基于電磁感應(yīng)的非接觸電力傳輸時(shí)，利用圈數(shù)為數(shù)百的線(xiàn)圈并且纏繞緊密，才能勉強(qiáng)在數(shù)mm的距離上得到超過(guò)60％的傳輸效率。而索爾賈?？说南到y(tǒng)在進(jìn)行2m傳輸時(shí)效率約為40％。距離為1m時(shí)更是實(shí)現(xiàn)了令人震驚約90％的高效率。作為天線(xiàn)的線(xiàn)圈也只是隨便纏繞的5圈粗銅線(xiàn)?？梢?jiàn)，與電磁感應(yīng)不同，該技術(shù)并不單純依靠磁通量強(qiáng)度取勝。

　　2007年2月，在筆者訪問(wèn)MIT的索爾賈?？搜芯渴視r(shí)，索爾賈?？嗽?jīng)說(shuō)到：“為什么以前沒(méi)有這項(xiàng)技術(shù)？這真令人感到不可思議”。其實(shí)，在此之前，人們都認(rèn)為宏觀電子學(xué)已經(jīng)被研究透了。索爾賈?？吮緛?lái)是研究近場(chǎng)光、等離子體、光子晶體等納米和微米規(guī)模電磁場(chǎng)的研究人員。此次的技術(shù)可以說(shuō)是把納米科技重新導(dǎo)入宏觀領(lǐng)域的成果。

Powercast技術(shù)：“由噪音收獲能源”

　　另一方面，在關(guān)注盲點(diǎn)方面，Powercast開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)電力傳輸技術(shù)雖與MIT如出一轍，但出發(fā)點(diǎn)卻幾乎與MIT相反。Powercast的基本思路是：（1）不利用高Q值的共振技術(shù)；（2）接收電磁波時(shí)盡可能降低損失。該技術(shù)利用損失小的天線(xiàn)技術(shù)和二極管，借助非接觸IC卡和無(wú)線(xiàn)標(biāo)簽的普及才得以實(shí)現(xiàn)。但是，包括MIT的技術(shù)在內(nèi)，二者的技術(shù)都基本沒(méi)有利用無(wú)線(xiàn)技術(shù)此前一直采用的共振技術(shù)，這一點(diǎn)非常獨(dú)特。

　　該公司的系統(tǒng)組成如下：普通天線(xiàn)、“能量收獲電路（power harvesting circuit）”和用于供電的充電電池。

　　Powercast沒(méi)有公開(kāi)技術(shù)核心——能量收獲電路的詳細(xì)情況，但其原理應(yīng)該與普通的電力通信技術(shù)相差甚遠(yuǎn)。Powercast的創(chuàng)始人、首席執(zhí)行官John G. Shearer在氣溫只有－14℃，正值寒冬的匹茲堡向筆者坦言：“精通電氣電路的技術(shù)人員看到我們的能量收獲電路的結(jié)構(gòu)，他們竟一時(shí)難以置信，懷疑‘為什么這樣行得通？’”。

　　“在以往的通信中，發(fā)送信息需要用特定頻率的載波承載信號(hào)進(jìn)行收發(fā)。我們想要的是電波的能量，沒(méi)有必要用共振電路選擇特定載波和從載波中提取信號(hào)。而且，連噪音也能夠成為能量源，所以，我們甚至希望用N/S（噪信比）作為電波環(huán)境指標(biāo)，而不是S/N（信噪比）”（Shearer）。就算“N/S”只是個(gè)玩笑，但該技術(shù)確實(shí)是“依靠逆向思維實(shí)現(xiàn)的”（Shearer）。

　　該公司從2002年左右開(kāi)始開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，目前已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用階段?！白钤鐚⒂?007年年底應(yīng)用于裝飾類(lèi)照明。2008年將正式在各種產(chǎn)品中配備”（Shearer）。在研討會(huì)上，Powercast的Tim Towell將發(fā)表演講。Towell到2007年春季前，一直在英特爾工作了14年。之后，他放棄了統(tǒng)管無(wú)線(xiàn)LAN平臺(tái)“Centrino”技術(shù)開(kāi)發(fā)的地位，轉(zhuǎn)投了一家小風(fēng)險(xiǎn)公司Powercast。

　　此次研討會(huì)的內(nèi)容將涉及這兩項(xiàng)打破百年常識(shí)的技術(shù)及其應(yīng)用，以及業(yè)務(wù)已展開(kāi)的電磁感應(yīng)方式非接觸充電技術(shù)。敬請(qǐng)關(guān)注。