哈工大研发“隔空”充电系统

可自动“瞄准”亏电设备“隔空”充电

生活报讯 （记者吕晓艳） 记者从哈尔滨工业大学获悉，近日，哈工大电信学院祁嘉然教授团队在微波无线输能领域取得新进展，研发的非接触式智慧型紧凑无线充电系统，可自动“瞄准”亏电设备“隔空”充电，让无线充电真正无接触且无需人为干预有望在智能家居、植入式医疗器械、工业机器人、交通运输、在轨航天等领域应用。

充电系统技术优势：更贴近用户期待的无线充电体验，非接触式、智能化系统实现“真”无线、无感充电；更接近预期的产品形态，用低成本实现波束智能跟踪、更紧凑的无线充电系统可适应多种场景部署。

充电系统搭建过程该系统器件连接顺序为信号源→同轴电缆→功率放大器→另一根同轴电缆→法布里-佩罗谐振腔（FPC）→可重构超构表面。

过程1，法布里-佩罗谐振腔（FPC）将由信号源产生并经过功率放大器放大后的能量均匀地传输到超构表面（布满天线的表面）的每个单元上。

过程2，通过外部的控制电路实时控制超构表面每个单元的透射相位，可将能量在空间聚焦到接收天线。

过程3，接收天线接收到能量后，将能量转化为交流电并传递到整流电路中，整流电路则会将交流电转换为直流电传输给负载设备完成充电。

是不是觉得概念很高深难懂？团队专家进行了逐一解释。

1、放大交流电功率

在上述无线充电系统中，信号源是可以产生交流电的装置。

一般而言，信号源生成的交流电所具备的能量会非常微弱，无法直接给设备充电。因此，需使用功率放大器将交流电的功率放大。

2、将交流电转换为电磁波

上面提到的法布里-佩罗谐振腔（FPC）是由两片具有一定反射率的平行板所组成的腔体，它由3部分组成：馈源天线、部分反射面和全反射面，其中部分反射面和全反射面平行放置。

由于交流电无法在空间中传播，（交流电从一个地方传递到另一个地方是需要使用电缆线的，空间中没有电缆线，自然就无法传播。就和家里的电线断了，灯就不会亮了是一个道理）因此，需使用一个叫做馈源天线的装置将交流电转换为可在空间中传播的电磁波。

馈源天线在交流电的驱动下可以在法布里-佩罗谐振腔体（FPC）内产生电磁波，这些电磁波会在腔体内多次反射，并通过部分反射面逐渐扩散到空间中，然后以平面波的形式传播。

团队设计的FPC创新地采用了4个馈源天线，这种产生电磁波的方式可使FPC产生的电场的相位和振幅更均匀。之所以要使电场的相位和振幅均匀，是为了让超构表面上的所有单元产生“步调一致”的震荡，进而允许FPC非常靠近超构表面，实现紧凑的无线充电装置。

什么是“步调一致”的震荡呢？比如一支走分列式的队伍，如果大家的脚步不一致，那么发出的声音会是凌乱的，但如果大家的脚步完全一致，那么踏步声和产生的效果必然是令人震撼的。同理，超构表面上的所有单元产生了“步调一致”的集体“踏步”，就可以保证电磁波更有效地传播到接收天线上。

3、将电磁波传递到接收天线

在充电过程中，让电磁波高效地汇聚并精准地传递到充电设备，是完成复杂任务的关键环节。团队设计了可令电磁波穿透的超构表面，可实现电磁波的汇聚。就像用凸透镜将阳光汇聚到一起，会觉得太阳暖洋洋的，如果将手指放在凸透镜的焦点，便会感到强烈的灼烧感，严重的甚至会烧伤。

团队所使用的超构表面就相当于一个凸透镜，通过控制超构表面上二极管的偏置电压，获得特定的电磁波相位响应，实现不同空间位置的波束聚焦，使汇聚处的电磁波能量极大地增强，从而对充电设备进行充电，可使充电更灵活、更智能。