任何能免除設(shè)備的電源線和墻上插座的技術(shù)都肯定會(huì)賦予電子設(shè)備一種明顯的銷售優(yōu)勢。能從無線電源獲得利益的應(yīng)用包括各種便攜式消費(fèi)電子設(shè)備，如手機(jī)和 MP3 播放機(jī)，它們可以丟棄自己的墻上插座和電源適配器；低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它們可以免除頻繁更換電池的麻煩；另外還有病人的醫(yī)用植入設(shè)備，以避免更換電池的手術(shù)。

但我們距離真正實(shí)用的電源線替代目標(biāo)還有多遠(yuǎn)，有哪些選項(xiàng)？這些選項(xiàng)對(duì)功率大小、頻率和設(shè)備位置有什么限制？最后，遠(yuǎn)距傳輸功率是否會(huì)損害健康？

使用可充電電動(dòng)牙刷的人都熟悉一種無線技術(shù)，即電感耦合，它與其充電部件之間沒有導(dǎo)電觸點(diǎn)（圖 1a）。充電部件連接到交流電源上，底座內(nèi)是一個(gè)變壓器的初級(jí)線圈，變壓器次級(jí)線圈位于手持的牙刷中，其中嵌入了一個(gè)鐵芯鍵。當(dāng)你刷完牙后，一般會(huì)將刷頭從牙刷部件上取下，并將牙刷部件放回充電底座。牙刷部件（有一個(gè)鐵芯鍵）可完全套在初級(jí)上。該鍵配合一個(gè)通過牙刷部件次級(jí)中心的孔（圖 1b）。這種鍵式結(jié)構(gòu)保證了初、次級(jí)線圈在 x、y、z 平面上的物理對(duì)準(zhǔn)。這種精密對(duì)準(zhǔn)是必需的，如果初、次級(jí)之間錯(cuò)位幾分之一英寸，則功率傳送就將無效。手機(jī)制造商也可以使用類似結(jié)構(gòu)進(jìn)行充電，而不必采用充電部件。不過，對(duì)于那些必須裝在錢包或口袋中（而不是放在浴室臺(tái)面上）的消費(fèi)設(shè)備來說，變壓器次級(jí)過于龐大。并且，牙刷座采用電感式電源耦合的主要原因并不是易于連接，而是因?yàn)榈鬃幵诔睗癍h(huán)境中，必須采用密封式的功率耦合。

為避免電感耦合方式要求接近、精確對(duì)準(zhǔn)的局限，eCoupled 推出了“自適應(yīng)電感耦合”方式，其中功率電路會(huì)從兩個(gè)線圈最優(yōu)定位檢測到任何變動(dòng)，然后尋找最佳工作點(diǎn)。電路負(fù)載的移動(dòng)會(huì)造成電路阻抗以及電路共振頻率的變化。另外，eCoupled 還增加了一個(gè)數(shù)字控制回路，以響應(yīng)變壓器耦合器件以外的負(fù)載變化。據(jù) eCoupled 先進(jìn)技術(shù)總監(jiān) Dave Baarman 稱，這種自適應(yīng)電感耦合與數(shù)字回路的結(jié)合意味著，即使設(shè)備在 x 和 y 方向偏離數(shù)英寸，而沿 z 軸偏離不到 1 英寸時(shí)，電源電路仍可以維持對(duì)設(shè)備的供電。

表皮厚度

但這種不到一英寸的限制性并不像乍看起來這么嚴(yán)重。Baarman 解釋說：“你需要的（z 軸）距離只不過是 MP3 播放機(jī)或手機(jī)的‘表皮厚度’”。這足以使人們隨意地將某個(gè)設(shè)備放在一個(gè)臺(tái)面上的充電區(qū)。你可以通過磁性感受到設(shè)備是否與充電點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，從而保證臺(tái)面上 x、y 方向的對(duì)準(zhǔn)。該公司已宣布了多家獲得自適應(yīng)電感耦合許可的伙伴公司，如摩托羅拉、Visteon 和 Herman Miller，不過這些公司還沒有公布任何采用自適應(yīng)電感耦合技術(shù)的產(chǎn)品。但據(jù) Herman Miller 的企業(yè)通信經(jīng)理 Mark Sherman 稱，該公司在 2008 年初將發(fā)布產(chǎn)品。該技術(shù)還有一個(gè)成績：eCoupled 的子公司 Fulton Technologies 從 2002 年起就使用自適應(yīng)電感耦合技術(shù)為其水凈化系統(tǒng)中電子設(shè)備供電。Baarman 稱 eCoupled 已經(jīng)在高達(dá) 1400W 的功率上測試了自適應(yīng)電感耦合技術(shù)。

電感耦合的特點(diǎn)是有相對(duì)較高的功率電平，但距離短。對(duì)于像無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這類應(yīng)用，你可能希望用更遠(yuǎn)的功率傳輸范圍來換取大功率。發(fā)射 RF 能量可能是針對(duì)這些應(yīng)用的一種考慮。Powercast 開發(fā)了 Powercaster 發(fā)射機(jī)和 Powerharvester 接收機(jī)芯片，它們工作在 900 MHz，你可以用它們來散播和接收能量（圖 2）。它們的工作距離為數(shù)米，而功率電平可高達(dá) 100 mW。這種低功率電平可能不會(huì)成為局限性：如果你的設(shè)備（如一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的某個(gè)節(jié)點(diǎn)）在長時(shí)間睡眠狀態(tài)后需要較高功率，則應(yīng)考慮為設(shè)備增加電池，并使用 RF 功率接收機(jī)作涓流充電。該器件銷售單價(jià)不到 5 美元（大批量）。

該器件用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)實(shí)例是匹茲堡動(dòng)物園企鵝展館與 PPG 水族館內(nèi)的溫度與濕度監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。在這種寒冷潮濕的環(huán)境中，不能用電源，展館的開發(fā)者不能拉電纜。他們最初建立傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)采用堿性電池為節(jié)點(diǎn)供電，但電池?cái)?shù)周內(nèi)就會(huì)耗盡。Powercast 用 Powerharvester 接收機(jī)改造了這些節(jié)點(diǎn)，用于電路供電，并在展館天花板上距接收機(jī)約 30 英尺遠(yuǎn)的地方放置了一個(gè) Powercaster 發(fā)射機(jī)及接插天線。每過兩分鐘，發(fā)射機(jī)的一個(gè)脈沖會(huì)喚醒傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)返回溫度、濕度和充電狀態(tài)信息。然后又回到睡眠狀態(tài)。但它們?nèi)圆粩嘤砂l(fā)射的 RF 功率充電，使可充電堿性電池的電壓保持在恒定 3V。

安全的功率電平

據(jù)Powercast 銷售與營銷副總裁 Keith Kressin 說，聯(lián)邦通信委員會(huì)的工程與技術(shù)辦公室的65 號(hào)通報(bào)負(fù)責(zé) RF 安全事項(xiàng)。該公報(bào)會(huì)告知你一臺(tái)傳送RF的設(shè)備允許多大的功率。微波爐的泄漏功率為 50 mW/cm2 ，與一部手機(jī)輻射的 RF 能量相當(dāng)。電視/電臺(tái)發(fā)射機(jī)輻射能量為 10 mW/cm2，而 RF 功率發(fā)射機(jī)的輻射大約為 20 μW/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于日常生活中的一般水平。

能量采集環(huán)境中的 RF 功率是 RF 功率傳輸?shù)牧硪环N可能選項(xiàng)，但是，天下沒有免費(fèi)的午餐，你應(yīng)特別小心地估計(jì)來自 RF 能量的可用功率。Zoya Popovic 博士是 Colorado—Boulder 大學(xué)的一名電子與計(jì)算工程教授，他建議應(yīng)牢記三點(diǎn)：首先，環(huán)境功率覆蓋了很寬的頻率范圍。獲得 RF 能量的最佳方式是設(shè)計(jì)一款專門針對(duì)某頻率的天線和功率電路；你需要一種可以工作在該環(huán)境下的天線和功率電路，這意味著它必須是寬頻帶的，或至少是多頻段的。

其次，當(dāng)采集環(huán)境 RF 時(shí)，你并不知道電磁波的極性。Popovic 給出了一個(gè)例子：“如果你用一根線狀天線，從房間的一角發(fā)射一個(gè)垂直極化波，當(dāng)能量在房間中碰撞并到達(dá)另一側(cè)時(shí)，功率會(huì)在水平極化和垂直極化兩個(gè)方向平均分配。如果你希望高效地捕捉能量，就必須針對(duì)兩種極化作設(shè)計(jì)?！?/p>

第三，由于存在多路徑的環(huán)境，RF 接收機(jī)的功率不僅隨頻率和極化方式而變化，而且在功率電平上也有變動(dòng)。Popovic 的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了帶有“整流天線”（rectennas）的 RF 功率接收機(jī)電路，該天線的整流電路能產(chǎn)生直流電壓。當(dāng)功率電平改變時(shí)，天線輸出端的直流電壓也發(fā)生變化。由于能量儲(chǔ)存設(shè)備（如電池和電容器）不能承受寬的電壓擺幅，所以該小組在整流天線和能量儲(chǔ)存元件之間放置了一個(gè)功率管理與緩沖級(jí)。

另外一種技術(shù)（但不是無接觸式）是 Wildcharge 的無線新技術(shù)。一個(gè)帶 Wildcharge 功能的設(shè)備通過一種歐姆觸點(diǎn)（采用光刻工藝制作的一種濺射金屬墊）與充電墊接觸，為手機(jī)或類似消費(fèi)設(shè)備充電。Wildcharge 計(jì)劃今年夏季推出一種 40 美元的 15W 充電墊，它可以為多種低功耗設(shè)備充電。設(shè)備使用該充電墊時(shí)將需要一個(gè)適配器，但它們也可以內(nèi)置 Wildcharge 技術(shù)，并從任何 Wildcharge 墊充電。

新型無線功率傳輸技術(shù)仍處于研究階段。馬薩諸塞州立技術(shù)學(xué)院物理學(xué)家 Marin Soljacic 宣布了一種用于數(shù)米內(nèi)的“非輻射式共振能量傳輸”技術(shù)。該技術(shù)主要依賴于在相同磁場中調(diào)諧為共振的銅線圈。另外，東京大學(xué)的研究人員也開發(fā)了一種帶印刷線圈、有機(jī)晶體管和 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）開關(guān)的四層塑料片，它采用電感耦合方式為帶接收線圈的設(shè)備供電。這兩種技術(shù)都在正在開發(fā)階段，商業(yè)化至少需要數(shù)年時(shí)間。

但是，即使是 cCoupled 和 Powercast 的方案也仍很新，有潛在的缺陷和未知數(shù)。另外還應(yīng)記住電池技術(shù)也在發(fā)展。所有的電池在制造時(shí)都不是相同的，壽命少于 1 年的堿性可充電電池不是低功耗設(shè)備充電的唯一選項(xiàng)。例如，Tadiran 稱其工業(yè)級(jí)和軍用級(jí)鋰亞硫酰氯電池的壽命超過 20 年，故障率小于百萬分之一。這些非可充電電池有低的泄漏電流和高容量。例如，Tadiran 的 AA 型大功率鋰電池標(biāo)稱電壓為 4V，而消費(fèi)設(shè)備中的 AA 電池是 1.5V。大功率件的單芯可用凈容量亦可超過 2 Ahr。電池將能為系統(tǒng)連續(xù)供電 20 年，以 3V 的截止壽命電壓計(jì)算，年功耗為 81 mAhr。這些電池的價(jià)格每只不到 10 美元，或每年不到 50 美分。因此在冒險(xiǎn)采用更昂貴的新技術(shù)以前，要考慮工業(yè)級(jí)的電池是否能滿足你的設(shè)計(jì)要求。

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