拋卻線纜負累 實現百年期待

——日將召開無線電力傳輸技術研討會

    無線供電從19世紀末左右的尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）開始，一直是眾多研究人員和技術人員研究的對象。但是，由于效率低和對安全方面的擔憂，該技術的實用化，隨著被動式無線標簽（RFID標簽）和無繩電話使用的非接觸充電技術的出現，用了100年時間。

    日本相關方面預定于2007年9月3日召開研討會——“電源線消失之日：實現百年期待”。此次研討會，除非接觸充電技術外，日本國內外的技術和研究人員還將介紹為數米之外的手機和個人電腦以無線方式充電等供電技術的最新開發動向。

　　其中，來自美國的兩位演講人已經開發出了為數米外的機器傳輸電力的技術，并因此成為了全球焦點，可謂是當下的“紅人”。他們中的一位是波士頓美國麻省理工學院（MIT）的物理學助教馬林·索爾賈希克（Marin Soljacic），另一位則是總部位于匹茲堡（波士頓附近）的美國Powercast公司的工程副總裁Tim Towell。

　　MIT和Powercast的研究開發有兩點非常獨特：其一，二者在開發無線電力傳輸技術時都瞄準了此前被忽視了百年之久的“電子學盲點”；其二，二者的技術在出發點上極具對比性。

MIT以“不發出電磁波的天線”實現

　　首先，MIT索爾賈希克的研究開發的劃時代意義，在于推出了同時實現以下兩種設想的系統：（1）利用高Q值（500～2500）的共振技術；（2）積極利用不向遠處傳播的“電磁近場”。（1）指的是以LC共振器為代表的技術，從礦石收音機時代沿用至今。另一方面，（2）中的近場此前很少用于一般電子產品，需要稍作介紹。

　　在庫侖定律中，電場E的強度與電荷之間的距離的平方成反比。不過，這里設想的只是“點狀電荷”發出放射狀電力線時的簡單模型。然而對于實際的電子，點狀電荷的設想并不現實，在普遍情況下，電荷會分布在一定的范圍內并發出電場。這時，電場的“組成”含有多個強度成分。其中包括強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雜性決定的，也會受到角度的影響。這些高次方成分就是前面所說的近場。立方以上的高次方成分會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，有時會強于平方成分。

　　一般來說，天線的電荷分布并非靜止，而是隨時間變化，因此會產生電磁波。電磁波與電場和磁場中平方成分的時間變化密切相關。另一方面，近場的高次方成分會發生時間變化，但不會向遠處傳播。也就是說，在距天線較近的位置，“存在是無線介質但并非電磁波的電場和磁場”。

　　在此之前，電磁波早已達到了實用水平，并與共振技術一起用于通信技術。與之相反，近場及其時間變化成分不僅沒有得到利用，還被當成了電磁干擾的主要原因之一，成為抑制對象。如果除去電磁感應使用的線圈產生的磁場，對于電子學來說，近場曾經是一個盲點。

　　MIT的索爾賈希克一反常規，最大限度地利用了近場，并開發出了由電磁波盡可能少的天線組成的電力傳輸系統。這就是“Wireless Non-radiative Power Transfer”。開發這種天線，需要在天線的形狀以及特定振動模式的激發方面下功夫。索爾賈希克于2007年6月在《科學（Science）》雜志上發表的傳輸實驗系統，以磁場的共振為基礎，利用線圈狀天線實現了2m距離的60W電力傳輸（參閱本站報道）。

　　這乍一看是一種基于電磁感應的電力傳輸，實際上卻融合了共振技術，與電磁感應完全不同。其實，索爾賈希克的電力傳輸系統“可以發出強度與貫穿線圈內部的磁通量變化幅度成正比的電動勢”，傳輸的電力遠遠超過法拉第電磁感應定律。使用基于電磁感應的非接觸電力傳輸時，利用圈數為數百的線圈并且纏繞緊密，才能勉強在數mm的距離上得到超過60％的傳輸效率。而索爾賈希克的系統在進行2m傳輸時效率約為40％。距離為1m時更是實現了令人震驚約90％的高效率。作為天線的線圈也只是隨便纏繞的5圈粗銅線。可見，與電磁感應不同，該技術并不單純依靠磁通量強度取勝。

　　2007年2月，在筆者訪問MIT的索爾賈希克研究室時，索爾賈希克曾經說到：“為什么以前沒有這項技術？這真令人感到不可思議”。其實，在此之前，人們都認為宏觀電子學已經被研究透了。索爾賈希克本來是研究近場光、等離子體、光子晶體等納米和微米規模電磁場的研究人員。此次的技術可以說是把納米科技重新導入宏觀領域的成果。

Powercast技術：“由噪音收獲能源”

　　另一方面，在關注盲點方面，Powercast開發的無線電力傳輸技術雖與MIT如出一轍，但出發點卻幾乎與MIT相反。Powercast的基本思路是：（1）不利用高Q值的共振技術；（2）接收電磁波時盡可能降低損失。該技術利用損失小的天線技術和二極管，借助非接觸IC卡和無線標簽的普及才得以實現。但是，包括MIT的技術在內，二者的技術都基本沒有利用無線技術此前一直采用的共振技術，這一點非常獨特。

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

　　Powercast沒有公開技術核心——能量收獲電路的詳細情況，但其原理應該與普通的電力通信技術相差甚遠。Powercast的創始人、首席執行官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人員看到我們的能量收獲電路的結構，他們竟一時難以置信，懷疑‘為什么這樣行得通？’”。

　　“在以往的通信中，發送信息需要用特定頻率的載波承載信號進行收發。我們想要的是電波的能量，沒有必要用共振電路選擇特定載波和從載波中提取信號。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）作為電波環境指標，而不是S/N（信噪比）”（Shearer）。就算“N/S”只是個玩笑，但該技術確實是“依靠逆向思維實現的”（Shearer）。

　　該公司從2002年左右開始開發這項技術，目前已經達到了實用階段。“最早將于2007年年底應用于裝飾類照明。2008年將正式在各種產品中配備”（Shearer）。在研討會上，Powercast的Tim Towell將發表演講。Towell到2007年春季前，一直在英特爾工作了14年。之后，他放棄了統管無線LAN平臺“Centrino”技術開發的地位，轉投了一家小風險公司Powercast。