無線設備終極篇：無線功率傳輸
上網時間 : 2006年04月28日
今天各式各樣備受吹捧的無線類小玩意稱為無線「傳遞」設備或許更為恰當，因為從某方面來說，它們仍然需要借助一條導線把電源從牆上的插座引入設備中。而事實上，人們早已能夠利用無線方式將數百千瓦的功率成功進行遠距離傳輸。雖然對無線功率傳輸的關注一直以來都集中在兆瓦級(如太陽能收集)或毫瓦級(如 RFID)，但是現在是時候將這項技術引入到各種便攜式無線應用中。
無線功率傳輸發展史
通過波束髮射能量的想法並不新奇。早在1899年，Nikola Tesla在Wardenclyffe進行的無線功率傳輸實驗就證明，可以在沒有導線的情況下點亮25英里以外的氖氣照明燈。
而創建於1934年的美國聯邦通訊委員會(FCC)，則將2.4-2.5GHz的頻段作為工業、科學和醫療(ISM)領域的保留頻段，從而使人們可以在該範圍進行重大意義的科學研究。二戰期間，利用磁電管將電能轉換成微波的技術被成功開發。但是將微波轉回電流的方法直到1964年才被發現，在這一年裡，William C. Brown成功驗證了一個可以把微波轉換成電流的矽整流二極管天線。
1968年，Peter Glaser提出了在功率級別遠低於國際安全標準的條件下，利用微波從太陽能動力衛星向地面傳輸功率的想法；而在1987年10月7日的一項固定高海拔中繼平台(SHARP)實驗中，一架小型飛機依靠RF波束提供的能量在空中飛行。此次飛行首開國際航空聯盟同類實驗的先河。
最後在1995年，NASA設立了一個集科研、技術和投資學習於一身的250MW太陽能動力系統(SPS)，而日本的目標則是在2025年建立一個低成本的示範模型。
波束功率傳輸原理
通過定向天線發射RF功率相對來是一個無損過程，產出效率大概在85%左右，足以與任一款高性能的開關調節器相媲美。兩個天線之間的能量傳輸效率由天線的尺寸、RF波波長以及天線間的距離來決定(這裡為了簡化問題假定無傳輸損耗，因此方程中不包含波束強度)。如果設發射天線直徑為DT、接收天線直徑為DR、RF波長為λ(λ=1/f，f為RF頻率)、天線距離為H，而k則作為比例係數(通常選擇1.2)，我們可以得到：
DTDR = 2kλH [1]
很自然，我們還會考慮功率密度問題。例如，FDA強制規定在距微波爐表面兩英吋處，每平方釐米的微波輻射應為5毫瓦。除了滿足方程[1]外，這樣的安全要求可能會對天線尺寸的小型化有所限制。
無繩功率傳輸
無繩功率傳輸的需求前景非常明朗。目前有關實現方面的技術問題已經基本解決，現在需要努力的，就是將該技術從大規模的兆瓦級和毫瓦級應用向便攜式計算、消費和通訊設備領域擴展。由於沒有了信號線，所以無線數據傳輸設備中的電源線就顯得異常突兀和刺眼。例如，既然今天的平板電視可以掛在牆上，那麼如果電源也可以不用插到牆上的插座就能獲得那就太棒了。
未來發展
繼收集周圍環境中的雜散功率之後，波束功率傳輸應該是接下來要做的事情。從工業角度來看，功率收集本身雖然是一個新概念，但是現在已經逐步被技術人員所接受。
事實上一些人可能會認為，在目前的狀況下，將「收集」表述成「淨化」更為恰當，因為這個概念主要是對漂浮在空氣中的雜散能量進行搜索和收集。雖然當前的能量收集技術主要關注於功率鏈的接收端，但是波束功率傳輸卻稱得上是真正的工業級能量收集，它從源頭開始考慮發射到收集的整個過程，從「能量在你能發現它的地方」轉變為「能量在你以無線方式設置它的地方」。
作者：Reno Rossetti
集成電路部門戰略總監
飛兆半導體
