[發(fā)明專利]一種相干光無(wú)線傳輸能量的方法及裝置

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310039106.8
• 申請(qǐng)日: 2013-01-31
• 公開（公告）號(hào): CN103124108A
• 公開（公告）日: 2013-05-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄒強(qiáng);丁玨;馬建國(guó);莊晴光;呂辰剛;吳憲順
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): H02J17/00
• 分類號(hào): H02J17/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 程毓英

所屬技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于信息領(lǐng)域，涉及一種遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸能量技術(shù)。

背景技術(shù)

目前需要電池驅(qū)動(dòng)的用電器越來(lái)越多，特別是由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）、RFID等技術(shù)的廣泛應(yīng)用、以及環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)和物聯(lián)網(wǎng)的興起，這些遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)終端的續(xù)航能力就成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。相當(dāng)多的場(chǎng)合下，這些無(wú)線節(jié)點(diǎn)或標(biāo)簽需要持續(xù)工作若干年、甚至十年以上。單單依靠電池的進(jìn)步是不能夠完全解決此瓶頸問(wèn)題。去除電量問(wèn)題外、電池的體積和重量也是這些應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵制約。

空間開發(fā)和和平利用太空成為全世界的關(guān)注熱點(diǎn)，也關(guān)系到國(guó)家的重大利益和安全。隨之興起為特定臨時(shí)目的而由空間站（或主衛(wèi)星）發(fā)送出去的微衛(wèi)星編隊(duì)。由于微衛(wèi)星尺寸和重量限制，電源的續(xù)航能力成為執(zhí)行任務(wù)壽命的一個(gè)關(guān)鍵制約。

如此等等諸多應(yīng)用，使得無(wú)線輸能技術(shù)方興未艾。早在一百多年以前大科學(xué)家特斯拉就曾長(zhǎng)期努力致力于電能無(wú)線輸送的研究，但沒有成功。上世紀(jì)六十年代美國(guó)開始進(jìn)行微波輸能（Microwave?Power?Transmission，MPT）的研究，由于無(wú)線終端的大量使用，MPT成為最近十年的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。2007年美國(guó)MIT的學(xué)者在世界最著名學(xué)術(shù)雜志SCIENCE上發(fā)表了利用磁場(chǎng)諧振（Magnet?Resonance?Technique，MRT）原理來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線輸送。目前MPT和MRT是主要的兩個(gè)可以實(shí)現(xiàn)能量無(wú)線輸送的技術(shù)，在世界范圍內(nèi)引起了關(guān)注。

無(wú)線傳輸電能的技術(shù)可以為我們的日常生活提供更加安全便捷的生活方式：首先沒有各種插頭和插座，從而在根本上避免了接觸不良、插拔困難等現(xiàn)象。其次有線的電力傳輸中，由于各種連接線的接觸會(huì)產(chǎn)生電火花，從而引發(fā)火災(zāi)或者爆炸，而無(wú)線電力傳輸則完全避免了這一點(diǎn)。最后由于沒有了裸露在外的電線接頭，避免了觸電的發(fā)生。讓我們?cè)賮?lái)看看日常生活以外的。在野外工作時(shí)，由于電力傳輸線路存在機(jī)械接觸，因此多多少少都會(huì)存在發(fā)生線路故障的隱患。而無(wú)線電力傳輸由于沒有了這些線路的存在，不僅電力傳輸更為可靠，而且還完全避免了摩擦、腐蝕、天氣、灰塵等等多種不利于有線電力傳輸?shù)囊蛩亍６以谝巴猓瑹o(wú)線電力傳輸將會(huì)極大的節(jié)省電力傳輸?shù)某杀荆驗(yàn)樵诂F(xiàn)行的情況下，電力傳輸?shù)木€路架設(shè)成本往往是用電設(shè)備成本的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。

隨著越來(lái)越多的飛機(jī)、衛(wèi)星、軍艦都將通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)能量的補(bǔ)充，整個(gè)陸、海、空、天裝備的電源接口將自動(dòng)對(duì)應(yīng)，電能傳輸將跨越時(shí)間和距離的限制。可以說(shuō)，只要武器裝備沒有故障，它就能永久地戰(zhàn)斗下去，真正實(shí)現(xiàn)智能化持續(xù)作戰(zhàn)。未來(lái)，誰(shuí)能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)電能的補(bǔ)充和控制，那勝利的天平必然會(huì)傾向哪一方。到那時(shí)，一場(chǎng)新的軍事變革必然到來(lái)。

在民用領(lǐng)域，富爾頓、勁量、蘋果、諾基亞、三星等國(guó)際知名廠商都投入大量資金研發(fā)無(wú)線充電技術(shù)。國(guó)際無(wú)線充電聯(lián)盟的成員企業(yè)由最初的十幾家增加到現(xiàn)在的一百多家。有專家預(yù)計(jì)，到2015年，全球支持無(wú)線充電功能的設(shè)備將增至1億部以上。可以預(yù)見，一個(gè)無(wú)線充電的時(shí)代即將來(lái)臨。

在軍事領(lǐng)域，以美國(guó)為首的各軍事強(qiáng)國(guó)也在爭(zhēng)先恐后地研發(fā)無(wú)線充電技術(shù)。據(jù)稱，美國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局已投入五六百萬(wàn)美元，用于研發(fā)無(wú)線充電技術(shù)，初步設(shè)定無(wú)線充電距離為50英尺（約15米）。可以想象，隨著技術(shù)的成熟和距離的延長(zhǎng)，戰(zhàn)場(chǎng)上的武器裝備將擺脫電線的束縛和距離的限制，機(jī)動(dòng)能力和持續(xù)作戰(zhàn)能力將大大提升。戰(zhàn)士們外出執(zhí)勤或作戰(zhàn)，再也不用攜帶一堆的充電器和數(shù)據(jù)線，更不用擔(dān)心GPS設(shè)備、電臺(tái)等因?yàn)闆]有電能而無(wú)法工作。他們只需隨身攜帶無(wú)線充電電池，不管在基地或戰(zhàn)場(chǎng)的任何角落都可以隨時(shí)充電。

盡管MPT和MRT世界范圍內(nèi)異常火爆，但其致命弱點(diǎn)是能量傳輸效率極低！根據(jù)MIT學(xué)者發(fā)表的論文，傳輸兩米距離其空間能量衰減就高達(dá)90%以上！也就是說(shuō)發(fā)送方發(fā)送出一瓦的功率、到了接收端只有0.1瓦！這還沒有將接收端的能量轉(zhuǎn)換效率計(jì)算在內(nèi)！對(duì)于MPT來(lái)說(shuō)，空間能量衰減簡(jiǎn)單公式為空間

衰減（分貝）=22+20LOG（距離/波長(zhǎng)）

比如藍(lán)牙使用的頻段（自由空間波長(zhǎng)～12厘米），利用MPT發(fā)射出一瓦能量、傳輸?shù)?.2米遠(yuǎn)的地方，空間衰減高達(dá)42分貝以上！也就是說(shuō)接收端整流天線只能夠接收到約1/20000瓦的能量！這還沒有考慮到整流天線的轉(zhuǎn)換效率。

考慮到MPT和MRT接收端的轉(zhuǎn)換效率，文獻(xiàn)表明接收端的尺寸和接收到的能量成正比。因此，基于這兩種技術(shù)的接收端很難小型化。

因此，迫切需要有新的高效小型化無(wú)線輸能技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容