太赫茲無線輸電技術展望_風聞

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。