[发明专利]一种相干光无线传输能量的方法及装置

说明书

所属技术领域

本发明属于信息领域，涉及一种远距离无线传输能量技术。

背景技术

目前需要电池驱动的用电器越来越多，特别是由于无线传感器网络（WSN）、RFID等技术的广泛应用、以及环境无线监测和物联网的兴起，这些远程节点终端的续航能力就成为一个关键问题。相当多的场合下，这些无线节点或标签需要持续工作若干年、甚至十年以上。单单依靠电池的进步是不能够完全解决此瓶颈问题。去除电量问题外、电池的体积和重量也是这些应用的一个关键制约。

空间开发和和平利用太空成为全世界的关注热点，也关系到国家的重大利益和安全。随之兴起为特定临时目的而由空间站（或主卫星）发送出去的微卫星编队。由于微卫星尺寸和重量限制，电源的续航能力成为执行任务寿命的一个关键制约。

如此等等诸多应用，使得无线输能技术方兴未艾。早在一百多年以前大科学家特斯拉就曾长期努力致力于电能无线输送的研究，但没有成功。上世纪六十年代美国开始进行微波输能（Microwave Power Transmission，MPT）的研究，由于无线终端的大量使用，MPT成为最近十年的热点研究领域之一。2007年美国MIT的学者在世界最著名学术杂志SCIENCE上发表了利用磁场谐振（Magnet Resonance Technique，MRT）原理来实现能量的无线输送。目前MPT和MRT是主要的两个可以实现能量无线输送的技术，在世界范围内引起了关注。

无线传输电能的技术可以为我们的日常生活提供更加安全便捷的生活方式：首先没有各种插头和插座，从而在根本上避免了接触不良、插拔困难等现象。其次有线的电力传输中，由于各种连接线的接触会产生电火花，从而引发火灾或者爆炸，而无线电力传输则完全避免了这一点。最后由于没有了裸露在外的电线接头，避免了触电的发生。让我们再来看看日常生活以外的。在野外工作时，由于电力传输线路存在机械接触，因此多多少少都会存在发生线路故障的隐患。而无线电力传输由于没有了这些线路的存在，不仅电力传输更为可靠，而且还完全避免了摩擦、腐蚀、天气、灰尘等等多种不利于有线电力传输的因素。而且在野外，无线电力传输将会极大的节省电力传输的成本，因为在现行的情况下，电力传输的线路架设成本往往是用电设备成本的数倍甚至数十倍。

随着越来越多的飞机、卫星、军舰都将通过无线传输的方式实现能量的补充，整个陆、海、空、天装备的电源接口将自动对应，电能传输将跨越时间和距离的限制。可以说，只要武器装备没有故障，它就能永久地战斗下去，真正实现智能化持续作战。未来，谁能实现对整个战场电能的补充和控制，那胜利的天平必然会倾向哪一方。到那时，一场新的军事变革必然到来。

在民用领域，富尔顿、劲量、苹果、诺基亚、三星等国际知名厂商都投入大量资金研发无线充电技术。国际无线充电联盟的成员企业由最初的十几家增加到现在的一百多家。有专家预计，到2015年，全球支持无线充电功能的设备将增至1亿部以上。可以预见，一个无线充电的时代即将来临。

在军事领域，以美国为首的各军事强国也在争先恐后地研发无线充电技术。据称，美国防部高级研究计划局已投入五六百万美元，用于研发无线充电技术，初步设定无线充电距离为50英尺（约15米）。可以想象，随着技术的成熟和距离的延长，战场上的武器装备将摆脱电线的束缚和距离的限制，机动能力和持续作战能力将大大提升。战士们外出执勤或作战，再也不用携带一堆的充电器和数据线，更不用担心GPS设备、电台等因为没有电能而无法工作。他们只需随身携带无线充电电池，不管在基地或战场的任何角落都可以随时充电。

尽管MPT和MRT世界范围内异常火爆，但其致命弱点是能量传输效率极低！根据MIT学者发表的论文，传输两米距离其空间能量衰减就高达90%以上！也就是说发送方发送出一瓦的功率、到了接收端只有0.1瓦！这还没有将接收端的能量转换效率计算在内！对于MPT来说，空间能量衰减简单公式为空间

衰减（分贝）=22+20LOG（距离/波长）

比如蓝牙使用的频段（自由空间波长～12厘米），利用MPT发射出一瓦能量、传输到1.2米远的地方，空间衰减高达42分贝以上！也就是说接收端整流天线只能够接收到约1/20000瓦的能量！这还没有考虑到整流天线的转换效率。

考虑到MPT和MRT接收端的转换效率，文献表明接收端的尺寸和接收到的能量成正比。因此，基于这两种技术的接收端很难小型化。

因此，迫切需要有新的高效小型化无线输能技术。

发明内容