和手機貼在一起的無線充電已不新鮮
像WiFi一樣的“隔空充電”了解一下
本報記者 付麗麗
據媒體報道， 同多數大型零售商一樣，美國沃爾瑪百貨公司正在計劃用小型電子屏幕取代貨架上的紙質標簽，這樣就能快速、低成本地更改價格并進行促銷。但從紙片到屏幕的轉換又面臨一個問題——屏幕需要電力。目前，沃爾瑪正在同奧西亞公司合作，采取“遠距離充電”技術，也稱“隔空充電”（Cota）來解決這個問題。
隔空充電，聽起來很神奇的樣子，其原理是什么，究竟是怎樣實現的？
隔空“收集”電磁能實現充電
“沃爾瑪這種‘隔空充電’的原理并不深奧，它是‘無線充電’技術的一種具體應用。”北京理工大學計算機網絡與對抗研究所所長閆懷志在接受科技日報記者采訪時說。
閆懷志介紹，所謂無線充電，是指采用非物理接觸方式實現的電能無線傳輸技術。
無線傳能的設想由來已久，早在100多年前特斯拉就提出通過大氣電離層來實現全球無線供電的設想。
能量守恒和轉換定律在自然界普遍適用，電磁空間也不例外，這一點可以用楞次定律來證明。楞次定律的本質是“感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。當線圈中的磁通量增加時，其中感應生成電流的方向與使它所產生的磁場方向相反，而當線圈中的磁通量減少時，則感應生成電流的方向與使它所產生的磁場方向相同。正因為電磁感應現象同樣遵循能量守恒和轉換定律，因此人們能夠通過電磁感應來實現能量的轉換和傳播。
“具體來講，沃爾瑪采用的這種隔空充電方式，是由一個電能發射器提供能量源，在特定的方向范圍內發射一定頻率的射頻譜，由此創建一個三維的電磁能量空間。”閆懷志解釋說，在該射頻信號所覆蓋的空間范圍內的電子設備，如果配有相應頻譜的信號接收裝置就可以接收該信號，實現與發射端的電磁感應，從而可以隔空“收集”發射端經由空氣傳播而來的電磁能量，實現接收電子裝置的無線充電。
北京郵電大學信息與通信工程學院副教授尉志青進一步解釋說，沃爾瑪隔空充電設備的工作原理和WiFi、藍牙相似，由一個發射機和多個接收機組成。發射機內部集成了數百根微型天線，而接收機只有硬幣大小，安裝在需要充電的設備上。接收機會在電量較低時給發射機發送充電的請求信號，發射機接收到請求信號后以每秒100Hz的頻率為設備充電。在控制充電的APP中，可以指定充電設備和充電策略（例如優先為電量低的設備充電），最多可以同時為32臺設備進行充電。
人們關心的這種隔空充電技術所能達到的距離和充電時間，閆懷志表示，主要取決于兩個因素，一是發射裝置的無線頻譜發射功率，二是該無線頻譜的發射頻率。
據介紹，沃爾瑪的這種隔空充電裝置的實驗室原型系統是CotaTile，發射功率為20瓦，距離1米遠的設備接收功率大約為6瓦，距離2米遠的設備接收功率為2至3瓦，最遠可為距離10米的設備充電。
你還能見到這些無線充電技術
除了這種隔空充電的方式外，當前常用的無線充電方式還有很多。
閆懷志介紹，首先是電磁感應技術無線充電，又稱為Qi標準無線充電。目前市面上小米、華為、蘋果的最新機型應用的無線充電大多采用的是這種方式。用戶可以將手機放在充電底座上充電而無需充電線。
尉志青說，其工作原理是，無線充電底座和手機分別安裝了發射線圈和接收線圈，利用電磁感應現象，當兩者靠近時，充電底座內的發射線圈接入交流電產生交變磁場，磁場的變化讓接收線圈內產生電流，從而將能量從發射端轉移到接收端，即從充電底座向手機進行供電。這種方式的優點是充電效率較高，智能手機充電效率可達80%，不足之處是充電距離較短，通常需要將手機緊貼充電底座。
其次是電磁共振無線充電，這種充電方式采用諧振器件使得發射端與接收端達到同一頻率，而同樣的共振頻率是能量轉移的必要條件，通過磁場共振就能實現電磁能量的交換。相比于電磁感應，這種方式的優點是無需“緊貼”，智能手機充電距離可達10厘米，但其充電效率略低，通常不足70%。
此外，還有無線射頻技術，該技術以空間電場作為能量傳輸媒介，在交流電磁場的作用下，產生交變電流，從而實現電能的遠距離無線傳遞。這種方式的優點是充電距離遠，不足是電磁輻射強、轉換效率低。
“無線”雖好面臨挑戰也不小
“相對于有線充電，無線充電的優勢非常獨特，包括使用的便捷性、傳輸的安全性、裝置的緊湊性以及環境融入性等，但也存在著諸多挑戰，具體體現在技術和非技術兩個層面。”閆懷志說，技術層面看，無線充電涉及電能信號無線發射、高頻轉換、耦合線圈設計、系統協同控制、電磁屏蔽以及電磁干擾等技術難題。例如，雖然從近距離的RFID設備、智能手機、平板電腦、智能手表、助聽器等，到遠距離的無人機甚至是太空中的航天器，均可采用隔空充電的方式充電。但由于隔空充電利用的是電磁感應原理，因而任何破壞或削弱電磁頻譜信號傳播的因素，如電磁屏蔽、功率不足、頻率不穩等，均會對其造成致命影響。非技術層面則存在著無線充電設備成本較高、技術標準難以統一、公眾對電磁輻射存有疑慮等問題。
但他相信這些問題必將隨著技術的進一步發展而得到有效的解決。
尉志青補充道，無線充電最大的問題是充電效率低，一般只支持5W的充電功率，稍微快速的充電也只有7.5W功率。此外，關于公眾對無線充電可能帶來的電磁輻射的擔憂，需要企業和評測機構進行嚴謹的試驗、廣泛的科普宣傳，才能打消公眾顧慮。由于無線充電的充電范圍較大，未來在物聯網領域將有廣闊的應用前景。
