百年盲点 众所瞩目——备受期待的无线电力传输技术

   无线供电从19世纪末左右的尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）开始，一直是众多研究人员和技术人员研究的对象。但是，由于效率低和对安全方面的担忧，该技术的实用化，随着被动式无线标签（RFID标签）和无绳电话使用的非接触充电技术的出现，用了100年时间。《日经电子》预定于2007年9月3日召开研讨会——“电源线消失之日：实现百年期待”。此次研讨会，除非接触充电技术外，日本国内外的技术和研究人员还将介绍为数米之外的手机和个人电脑以无线方式充电等供电技术的最新开发动向。

　　其中，来自美国的两位演讲人已经开发出了为数米外的机器传输电力的技术，并因此成为了全球焦点，可谓是当下的“红人”。他们中的一位是波士顿美国麻省理工学院（MIT）的物理学助教马林·索尔贾希克（Marin Soljacic），另一位则是总部位于匹兹堡（波士顿附近）的美国Powercast公司的工程副总裁Tim Towell。

　　MIT和Powercast的研究开发有两点非常独特：其一，二者在开发无线电力传输技术时都瞄准了此前被忽视了百年之久的“电子学盲点”；其二，二者的技术在出发点上极具对比性。

MIT以“不发出电磁波的天线”实现

　　首先，MIT索尔贾希克的研究开发的划时代意义，在于推出了同时实现以下两种设想的系统：（1）利用高Q值（500～2500）的共振技术；（2）积极利用不向远处传播的“电磁近场”。（1）指的是以LC共振器为代表的技术，从矿石收音机时代沿用至今。另一方面，（2）中的近场此前很少用于一般电子产品，需要稍作介绍。

　　在库仑定律中，电场E的强度与电荷之间的距离的平方成反比。不过，这里设想的只是“点状电荷”发出放射状电力线时的简单模型。然而对于实际的电子，点状电荷的设想并不现实，在普遍情况下，电荷会分布在一定的范围内并发出电场。这时，电场的“组成”含有多个强度成分。其中包括强度与距离的平方成反比的成分、与距离的立方成反比的成分，以及与距离的四次方、五次方等高次方成反比的成分。高次方成分的比例是由电荷分布的形状和复杂性决定的，也会受到角度的影响。这些高次方成分就是前面所说的近场。立方以上的高次方成分会随着与电荷距离的增加迅速减弱。但是，在距电荷较近的位置，有时会强于平方成分。

　　一般来说，天线的电荷分布并非静止，而是随时间变化，因此会产生电磁波。电磁波与电场和磁场中平方成分的时间变化密切相关。另一方面，近场的高次方成分会发生时间变化，但不会向远处传播。也就是说，在距天线较近的位置，“存在是无线介质但并非电磁波的电场和磁场”。

　　在此之前，电磁波早已达到了实用水平，并与共振技术一起用于通信技术。与之相反，近场及其时间变化成分不仅没有得到利用，还被当成了电磁干扰的主要原因之一，成为抑制对象。如果除去电磁感应使用的线圈产生的磁场，对于电子学来说，近场曾经是一个盲点。

　　MIT的索尔贾希克一反常规，最大限度地利用了近场，并开发出了由电磁波尽可能少的天线组成的电力传输系统。这就是“Wireless Non-radiative Power Transfer”。开发这种天线，需要在天线的形状以及特定振动模式的激发方面下功夫。索尔贾希克于2007年6月在《科学（Science）》杂志上发表的传输实验系统，以磁场的共振为基础，利用线圈状天线实现了2m距离的60W电力传输（参阅本站报道）。

　　这乍一看是一种基于电磁感应的电力传输，实际上却融合了共振技术，与电磁感应完全不同。其实，索尔贾希克的电力传输系统“可以发出强度与贯穿线圈内部的磁通量变化幅度成正比的电动势”，传输的电力远远超过法拉第电磁感应定律。使用基于电磁感应的非接触电力传输时，利用圈数为数百的线圈并且缠绕紧密，才能勉强在数mm的距离上得到超过60％的传输效率。而索尔贾希克的系统在进行2m传输时效率约为40％。距离为1m时更是实现了令人震惊约90％的高效率。作为天线的线圈也只是随便缠绕的5圈粗铜线。可见，与电磁感应不同，该技术并不单纯依靠磁通量强度取胜。

　　2007年2月，在笔者访问MIT的索尔贾希克研究室时，索尔贾希克曾经说到：“为什么以前没有这项技术？这真令人感到不可思议”。其实，在此之前，人们都认为宏观电子学已经被研究透了。索尔贾希克本来是研究近场光、等离子体、光子晶体等纳米和微米规模电磁场的研究人员。此次的技术可以说是把纳米科技重新导入宏观领域的成果。

Powercast技术：“由噪音收获能源”

　　另一方面，在关注盲点方面，Powercast开发的无线电力传输技术虽与MIT如出一辙，但出发点却几乎与MIT相反。Powercast的基本思路是：（1）不利用高Q值的共振技术；（2）接收电磁波时尽可能降低损失。该技术利用损失小的天线技术和二极管，借助非接触IC卡和无线标签的普及才得以实现。但是，包括MIT的技术在内，二者的技术都基本没有利用无线技术此前一直采用的共振技术，这一点非常独特。

　　该公司的系统组成如下：普通天线、“能量收获电路（power harvesting circuit）”和用于供电的充电电池。

　　Powercast没有公开技术核心——能量收获电路的详细情况，但其原理应该与普通的电力通信技术相差甚远。Powercast的创始人、首席执行官John G. Shearer在气温只有－14℃，正值寒冬的匹兹堡向笔者坦言：“精通电气电路的技术人员看到我们的能量收获电路的结构，他们竟一时难以置信，怀疑‘为什么这样行得通？’”。

　　“在以往的通信中，发送信息需要用特定频率的载波承载信号进行收发。我们想要的是电波的能量，没有必要用共振电路选择特定载波和从载波中提取信号。而且，连噪音也能够成为能量源，所以，我们甚至希望用N/S（噪信比）作为电波环境指标，而不是S/N（信噪比）”（Shearer）。就算“N/S”只是个玩笑，但该技术确实是“依靠逆向思维实现的”（Shearer）。

　　该公司从2002年左右开始开发这项技术，目前已经达到了实用阶段。“最早将于2007年年底应用于装饰类照明。2008年将正式在各种产品中配备”（Shearer）。在研讨会上，Powercast的Tim Towell将发表演讲。Towell到2007年春季前，一直在英特尔工作了14年。之后，他放弃了统管无线LAN平台“Centrino”技术开发的地位，转投了一家小风险公司Powercast。

　　此次研讨会的内容将涉及这两项打破百年常识的技术及其应用，以及业务已展开的电磁感应方式非接触充电技术。敬请关注。