无线电力传输(WPT)系统实现远距离无线传输

随着便携式电子产品、物联网设备、电动汽车充电的需求不断增长，对无线电力传输(WPT)系统的需求也在增加。此外，5G通信的出现催生了对远程、低成本和低延迟无线电力传输技术的需求。无线电力传输的两个主要分支是近场和远场自由空间电力传输。近年来，尽管诸如基于谐振的磁感应和电容耦合功率传输方法等技术表现出高效率和多接收器充电，但它们仅限于从几毫米到 5 米的短距离。

长距离WPT技术包括射频/微波、单色激光束和超声WPT技术。射频无线电力传输 (RFWPT) 也已被广泛研究用于远程无线电力传输。已经使用 RFWPT 在自由空间中以900 MHz、2.4 GHz、5.8 GHz 和 24 GHz（毫米波）传输进行了各种研究。在之前的一项研究中，实验证明了 915 MHz 的 RFWPT 系统在 15 m 处实现了 10% 的功率传输效率。相比之下，5.8 GHz 的射频 WPT 在 5 m 处提供 0.24% 的功率传输效率，随着与发射器距离的增加而降低。另一项研究报告说，使用 5-6 GHz 频率，在 4 m 处发射功率为 32 W，接收功率为 100 mW 。此外，最近还演示了 2.4 GHz 和 24 GHz 系统。然而，2.4 GHz 系统在安全电力传输方面存在局限性，并且 24 GHz 系统导致设计更加庞大和昂贵。

使用射频/微波功率传输的 WPT 要么受到安全限制的限制，要么无法在保持远距离效率的同时提供足够的功率水平。这些系统主要在天线/整流天线设计、衍射、干扰和环境问题方面面临挑战 。尽管 RFWPT 系统具有潜力，但这些系统中使用的 EM 波的色散特性往往会增加自由空间损耗、多径衰落和有害辐射。所有这些因素都导致使用 RFWPT无法实现高能效。

此外，使用单色激光的光功率传输可以在高功率能量水平上实现远距离无线传输。然而，达到国际电工委员会 (IEC) 规定的安全能量水平是基于激光的无线能量传输的失败之一。

为了克服这些挑战，研究人员优化了一种名为分布式激光充电的方法。发表在《Optics Express》的论文中，研究人员描述了他们的新系统，该系统使用红外光安全地传输高强度的能量。实验室测试表明，它可以在30米的距离内传输400mW的光功率。这种能量足以为传感器充电，随着进一步的发展，它可能会增加到为移动设备充电所需的水平。

分布式激光充电的工作原理有点像传统的激光，但激光腔的光学组件不是集成到一个设备上，而是分离到发射器和接收器上。当发射机和接收机在视线范围内时，在空中或自由空间上形成一个激光腔，使系统能够传输基于光的能量。如果障碍物切断了收发器的视线，系统会自动切换到电力安全模式，实现无危险的空中供电。

在新系统中，研究人员使用了一个中心波长为1550 nm的掺铒光纤放大器光功率源。这个波长范围是光谱中最安全的区域，在使用的功率下不会对人眼或皮肤造成危险。另一个关键组件是波分复用滤波器，它在自由空间传播的安全范围内产生光功率窄带光束。

审核编辑：刘清