太赫茲無線輸電技術展望_風聞
李霆-中国科技大学博士、民进会员2020-03-09 19:14
引言:在未來的6G時代,將會出現這樣的場景。移動通信基站(太赫茲基站)除了提供通信接入服務外,還會提供無線充電功能。

2G時代的手機,功能較為簡單,耗電量不大。數百毫安時的電池,就足以支持幾天的使用。甚至有個別廠商,宣傳可以充一次電使用半個月。

飛利浦手機,功能機時代以省電著稱
進入到智能手機,隨着手機功能的增加,對耗電量的需求,好似那“脱繮的二哈”;而電池技術的提升,卻宛如“瘸腿的京巴”。即使是相對省電的蘋果手機,其電池也佔據了相當大的一部分的體積和重量。
儘管現在手機電池容量,已經到了動輒四五千毫安時,但遠不能跟上耗電量的增加。現在中度使用時,需要一天一充;重度使用,需要一天兩充。以至於移動電源,成為了很多重度手機使用者的標配。

IPHONE XR拆機照
現階段,鋰電池的電池容量,已經很難再有大幅度提升了。而鋰電池的接班人,目前還遙遙無期。而且鋰電池本身,如果在設計、製造環節出現失誤,很可能就變成炸彈(例如三星galaxy note7,由於鋰電池設計過程中一味增大容量,忽略了安全性,出現了多起手機爆炸事件,最終被迫召回)。即便是在正常使用過程中,也有很多注意事項。為了安全起見,國內外各家航空公司,對於鋰電池上飛機,都有着嚴格限制。

三星手機 galaxy note7
除了增加電池容量,是否還有別的解決方法呢。無線輸電技術,提供了另一種思路。
無線輸電技術,現在一般認為最開始由尼古拉-特斯拉在19世紀末發明的,是根據電磁感應原理而產生。目前能夠實現無線輸電有四種方式:電磁感應方式、電磁共振方式、電磁耦合方式和微波諧振方式。
目前,已經有許多手機廠家,採用了無線輸電技術,用於手機充電。據不完全統計,目前市場上支持無線充電的手機,有兩百多款。這一技術,剛剛應用在手機上時,被宣傳為黑科技。實際上,上世紀五、六十年代風靡一時的礦石收音機,早就用上了這一技術(不小心暴露了作者的年齡,其實我本人也沒玩過,老師裏面有人玩過)。而且,現在的手機無線充電,必須在很近的距離才能使用。這一點,尚且不如過去的礦石收音機(礦石收音機只要在廣播信號覆蓋到的區域,就能使用,不需要外接電源和電池,能量來源全靠廣播信號,當然收聽效果也就呵呵呵了)。

礦石收音機
2018年,美國華盛頓大學,演示了一種無線激光輸電方式。利用激光,作為能量傳播媒介,實現了4.3米距離,2W的功率傳輸,接近於手機連接電腦的功率了。無線激光輸電所使用的技術,都已經很成熟了,其能量接受裝置類似於太陽能電池板。
無線激光輸電技術應用在手機充電領域,也有其缺點。首先是安全性,激光功率達到瓦級,已經會對人眼造成傷害了,解決方法是增加安全保護措施,以及用多束低功率激光代替單束大功率激光。其次是覆蓋性,激光的指向性很強,只能照射到小區域,手機必須放在這一區域內才能充電。如果希望激光照射方向可以自動調節,勢必導致成本的提升。

無線激光充電試驗場景
太赫茲波,相比激光,不存在上述的兩個缺陷。只要不超過限定的功率範圍,對人體是沒有傷害的,人眼對這一頻段,也不敏感。太赫茲波長更長,覆蓋範圍可以比激光更大,帶來更大的充電範圍。另外太赫茲波的穿透性更好,手機放在衣服口袋或是皮包裏面,也可以充電。
因此,可以借鑑這一思路,將頻率降低至太赫茲,設計太赫茲無線輸電方案。在發射端,將電能轉化成太赫茲波發射出去;在接收端,將太赫茲波轉換成電能。
相比激光工程領域,太赫茲領域最大的缺陷就是工程化基礎非常薄弱。太赫茲是一個被忽略的頻段,長期以來,未能得到大規模應用。不過隨着近年來太赫茲安檢、太赫茲通信、太赫茲醫療等領域的發展,太赫茲上下游產業鏈正在逐步形成中,各項短板正在逐步補齊。特別是太赫茲通信,將成為6G移動通信的重要組成部分。這一應用前景,勢必推動國內外相關太赫茲技術的發展。

6G移動通信標誌
石墨烯材料是近年來的研究熱門,在太赫茲領域也有大量研究,特別是用於太赫茲波調製,太赫茲源和太赫茲波檢測方面。石墨烯除了用於產生太赫茲波,本身在寬電磁波段內(可見光、紅外、太赫茲),也具有良好的光電性能,可以用實現太赫茲波與電能的相互轉換。
石墨烯材料本身具備超出鋼鐵數十倍的強度和極佳的散熱性(這方面的性能遠遠優於目前光伏電池上使用的硅材料),因此石墨烯充電模塊可以設計成為手機外殼。實際上,石墨烯材料現在在手機領域已經得到應用,例如華為Mate20 X (5G)手機就使用了石墨烯膜用於散熱。

華為Mate20 X (5G)手機使用了石墨烯
移動通信進入5G時代後,相較於4G,頻段不斷走高,頻率越高、波長越短、衍射能力也就越小,相比4G基站1-3公里的覆蓋半徑,5G基站的覆蓋半徑僅有100-300米。因此,需要增加宏基站數量來提升信號覆蓋質量,也需要在宏基站覆蓋的盲點地區和熱點地區用小基站補盲、補熱,提高覆蓋能力,形成一張全面覆蓋的整網。
未來6G時代,隨着頻率提升至太赫茲(預計開始會在200G到300G,後續會進一步提升),基站覆蓋半徑將進一步下降。室外可能只能覆蓋數十米(視距內不能有遮擋),室內估計每個房間都要安裝(太赫茲波不具備衍射能力,只能以直線傳播,而且對普通牆壁穿透性極差)。

4G與5G基站數量示意圖
基站與手機間距離的拉近,降低了通過基站對手機無線充電的難度,配合現有的波束賦形與波束控制技術(相當於雷達中的相控陣技術,在4G中開始使用,5G中得到強化),可以實現能量的精準投送。

波束賦形與控制技術
除了手機充電領域,太赫茲無線輸電技術還有很多潛在應用方向,例如無人機領域。以大疆為代表的微型電動無人機,由於電池容量限制,續航時間一般在30分鐘左右,導致了很多應用無法開展。如果具備了空中無線輸電功能(相當於空中加油能力),可以大幅度提升續航能力,甚至實現無限續航能力(為了保證能量有效聚焦,工作頻率預計在500G以上)。這將大幅度拓展這一類無人機的應用範圍,同時也勢必帶來無人機廠商的新一輪洗牌。

大疆精靈Phantom 4 Pro V2.0無人機
無線輸電技術誕生至今已有一百多年,從目前的發展與應用的情況來看,微波與光波,都不是很好的能量傳輸媒介(微波頻率低,傳輸方向性差,實現窄波束需要把天線尺寸做的很大;光波頻率高,空氣中傳輸損耗大,而且高能激光具有一定危險性),太赫茲波可以用較小的天線尺寸實現窄波束,空氣中傳輸損耗小於光波,且安全性也較好。因此,有望打破這一僵局,突破無線輸電技術發展應用的瓶頸。