近日 小米發布了其隔空無線充電技術 讓無線充電又一次登上了熱榜。

根據官方介紹 隔空充電技術通過小米自研隔空充電樁實現 其中內置5個相位干涉天線 用于對手機進行空間定位；另有144個天線構成相位控制陣列 通過波束成形將毫米波定向發射給手機 手機通過天線接收 能實現數米內5瓦遠距離充電。

無線充電技術大家并不陌生 各種無接觸式無線充電技術已經在各大智能設備中相當普及；而這次小米隔空充電技術吸引眾人注意力的原因在于它實現了數米距離內的無線充電 而傳統無接觸式無線充電雖然也無需線纜 但是充電距離通常在毫米到厘米數量級。事實上 小米此次發布的隔空無線充電技術與傳統的無線充電技術是不同的技術路徑 因此能實現數米的充電距離。而除此之外 本文還將分析介紹其他有潛力的無線充電技術路徑。

智能設備無線充電的幾大技術路徑

目前 智能設備無線充電最普及的技術就是使用電感耦合實現的充電。目前絕大多數智能設備的無接觸式充電都是使用該技術。

電感耦合式無線充電的技術原理是在無線充電器端和智能設備端分別安裝電感（通常是由線圈實現） 之后在充電器端使用振蕩器產生這些電感線圈諧振頻率的振蕩 而能量則通過電磁波的形式由充電器端耦合到智能設備端 智能設備端再通過整流器把電磁波中的能量轉化為直流電并給電池充電。

整體而言 電感耦合無線充電技術已經非常成熟。目前最主流的電感耦合無線充電標準Qi于2010年提出第一版 經過十年的發展已經進入了包括智能手機在內的各大智能設備 在芯片方面 包括TI、NXP等在內的大多數傳統模擬芯片廠商都能提供多款支持電感耦合無線充電的芯片產品。通過電感耦合實現無線充電的主要優點在于使用近場耦合因此效率高 但是近場耦合同時也將該技術的充電距離限制在了厘米數量級。

小米剛剛公布的隔空充電技術則是較為成熟的電感耦合無線充電之外的另一種技術路徑 即使用遠場電磁耦合實現無線充電。顧名思義 遠場電磁耦合可以實現的充電距離較遠。具體來說 遠場電磁耦合技術在充電器端產生一個頻率較高的電磁波 并使用天線將能量以電磁波的形式發射到空間中。而在智能設備端 則同樣使用天線來接收充電器端產生電磁波以接受能量 并且在之后使用整流器來將電磁波能量轉化為直流電為電池充電。由于使用天線發射和接收電磁波 因此遠場電磁耦合的充電技術受到距離的限制較小。

然而 遠場電磁耦合也有幾個重要的技術難點尚待突破。首先就是電磁波對準問題。一般來說 使用常規天線時充電器發射的電磁波能量將會向空間各個方向傳播 因此在智能設備端接收到的能量只是充電器發射出能量的很小一部分（例如1%） 這樣就會大大降低充電效率。為了解決這個問題 通常需要使用天線陣列做波束成形 將電磁波能量對準智能設備所在的方位做點對點傳輸（而不是讓電磁波向空間各個方向自由發射）。這也是為什么小米的隔空充電技術中 充電器使用了144個天線組成天線陣列做波束成形的原因。另一方面就是需要找到智能設備相對充電器的相對方位來確定電磁波能量的發射方向 這也是在小米公布的技術中充電器中還包含了另一組天線陣列配合算法來定位智能設備的位置。

而遠場電磁耦合充電的第二個難點在于電磁波能量產生和接收的效率。與工作在100KHz-10MHz的近場電感耦合不同 遠場電磁耦合中的電磁波通常工作在100MHz-1GHz以上 而此次小米公布的隔空充電更是工作在更高頻的毫米波頻段（>30GHz）。在這些較高頻段產生電磁波的振蕩器往往效率較低 即充電器本身消耗的功率遠大于充電器發射出去的電磁波功率。小米公布的技術中心 充電器能產生5W的功率 我們預計在毫米波頻段充電器的整體效率在1-10%左右 即充電器本身的耗電很可能在100W以上。而另一方面 在智能設備端 高頻電磁波的整流電路效率通常也會低一些 因此傳遞給智能設備的5W功率經過整流之后可能只有一小部分用于充電。

最后 政府規定的最大頻譜發射功率也限制了能傳遞的無線功率。本次小米使用5W作為演示的充電功率很可能就是因為在毫米波頻段的最大發射無線功率是受到政府相關規范管控的 即使不考慮充電器耗電問題想要發射更大無線功率也難以滿足相關規范。

在遠場和近場電磁耦合之外 另一種無線充電的技術路徑是使用紅外光來傳遞能量。與遠場電磁耦合類似 紅外光無線充電也能實現遠距離充電。除此之外 紅外光在傳輸過程中不像無線電波頻段的電磁波一樣需要使用波束成形技術來實現點對點傳播 而是天生就是沿直線點對點傳播 因此充電器端就無須使用天線陣列 使得設計較為簡單 效率也較高。此外 在相關規范中 紅外光的最大傳輸能量比起無線電波頻段的電磁波要高 因此可實現的最大充電功率也較大一些。目前 初創公司WiCharge已經提出了一套較為完整的紅外光充電解決方案 其未來值得我們拭目以待。

未來市場格局預期

如前所述 基于近場耦合的無線充電技術在技術上已經進入了成熟期 未來幾年預計相關技術會穩步提升 成為越來越多智能設備的首選充電方式。

相對于近場耦合無線充電 遠場耦合和紅外光無線充電技術則能實現長距離充電 有望給智能設備帶來全新的用戶體驗 例如在房間內安裝無線充電器之后就可以實現無需用戶干預的自動充電等。相對于紅外光充電 遠場耦合的無線充電技術與傳統手機中使用的射頻技術較為接近 對于智能設備廠商來說也較為熟悉 因此如果能找到合適的應用場景的話有機會能盡快商用推廣。基于我們之前分析的遠場電磁耦合的幾個限制 我們認為在未來幾年內仍然很難找到一條為手機實現以合理速度充電的路徑。

但是 遠場電磁耦合更有機會應用在對于充電功率需求較小的智能設備 包括智能門鎖 室內溫度傳感器等等 從而在智能家庭和物聯網領域發揮作用。從芯片角度 使用遠場電磁耦合的技術門檻不低 需要在電源管理、波束成形、設備定位等領域都有一定技術積累 而且由于歸根到底遠場電磁耦合的目的是在智能設備的產品定義中提供一個差異化功能項 因此很適合擁有芯片設計能力的手機和智能設備廠商使用產品結合芯片協同的方法來完成設計 這方面我們對于華為、小米等有相關背景的公司都很看好。

另一方面 如果要為智能手機提供較大功率的無線充電 在未來幾年內紅外光的可行度較高一些。這個領域由于離智能設備廠商熟悉的傳統射頻設計較遠 因此更有可能是由一個領先的系統方案廠商（例如蘋果）提出方案后與傳統半導體公司合作完成設計。在這個領域我們可以關注WiCharge等相關初創公司的情況。 責任編輯:tzh