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射頻/無線  

去掉電源線 無線電源技術的發展初露曙光

上網時間: 2006年04月28日  打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:太陽能收集  無線電源  stray power  solar energy harvesting  Wireless Power 

目前各式各樣備受吹捧的無線產品或許應該被明確稱為無線‘通訊’裝置才更恰當,因為從某方面來說,它們仍然需要藉由一條電線把電源從牆上的插座傳送到設備中,而不是全然的‘無線’。但另外一方面,人們早已能夠利用無線方式將數百千瓦的電源成功地進行遠距離傳輸。雖然對於無線電源傳輸的關注長久以來都集中在百萬瓦級(MW,如太陽能收集)或毫瓦級(mW,如RFID),而現在正是將這項技術導入到各種可攜式無線應用中的最佳時機。

無線電源傳輸發展史

透過波束發射電源的想法並不新奇。早在1899年,Nikola Tesla在Wardenclyffe進行的無線電源傳輸實驗就證明,可以在不使用電線的情況下點亮25英哩以外的氖氣照明燈。

而成立於1934年的美國聯邦通訊委員會(FCC),則將2.4-2.5GHz的頻段保留給工業、科學和醫療(ISM)領域,使人們可以在該範圍進行重要的科學研究。早於二次世界大戰期間,就已利用磁電管將電能成功轉換成微波的技術,但是將微波轉回電流的方法卻一直到1964年,William C. Brown才成功地研發出一款可將微波轉換成電流的矽整流二極體天線。

1968年,Peter Glaser提出了在電源能量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電源的想法;而在1987年10月7日的一項固定高海拔中繼平台(SHARP)實驗中,一架小型飛機透過RF(無線射頻)波束提供的動力在空中飛行。此次飛行首開國際航空聯盟實驗之先河。

最後,在1995年,美國航空暨太空總署(NASA)建立了一個集研究、技術與投資於一身的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。

波束電源傳輸原理

透過定向天線發射RF電源其實是一個無損耗的過程,其產出效率大概在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波的波長以及兩天線間的距離來決定(這裡為了簡化問題假定無傳輸損耗,因此方程式中不包含波束強度)。如果假設發射天線直徑為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為一比例常數(通常選擇1.2),我們可以得到:

DTDR=2kλH

當然也必須考慮到電源密度的問題。例如,美國食品暨藥物管理局(FDA)強制規定在距微波爐表面兩英吋處,每平方公分的微波輻射應為5毫瓦。除了滿足方程式之外,這樣的安全要求也可能會對天線尺寸的迷你化加以限制。

無線電源傳輸

無線電源傳輸的需求前景非常明朗。目前有關的建置技術已經解決,現在所必須努力的就是大規模將該技術從百萬瓦級和毫瓦級應用向可攜式運算、消費和通訊設備領域擴展。因為既然已經省去了訊號線,就使得無線通訊裝置中的電源線顯得異常突兀和刺眼。例如目前的平面電視可以掛在牆上,如果電源也能不必插到牆上的插座那就太棒了。

發展前景

繼收集周圍環境中的雜散電源之後,波束電源傳輸應該是接下來要做的事情。從產業角度來看,電源收集本身雖然是一個新概念,但是目前已經逐漸為技術人員所接受。

事實上,有人可能會認為在目前的狀況下,將‘收集’形容為‘淨化’也許更為恰當,因為這個概念主要是指對漂浮在空氣中的雜散能量進行搜索和收集。儘管目前的能量收集技術主要關注的是電源鏈接收端的波束電源,而實際上就整個產業來看,能量收集應該是從源頭開始的整個過程,並將能量收集的模式從‘能量在你所能發現之處’轉變為‘能量始於無線建置之處’。

作者:Reno Rossetti

IC部門策略總監

Fairchild公司




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