你的設備準備好了嗎？Energous 公司的無線充電技術已經蓄勢待發！

Energous 公司在 2015 年 CES 大會上首次推出 WattUp 無線充電技術，並且有望在今年或明年推向市場。

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遠距離無線充電技術是今年 CES 大會上最激動人心的技術之一。Energous 公司在去年（2015 年）的 CES 大會上首次推出了 WattUp 技術。數月前，Energous 公司 CTO（首席技術官）Michael Leabman 在一次採訪中介紹了該項技術的系統效率；最近，我們觀看並討論了 Energous 公司在 CES 大會上的演示，並且和 Leabman 討論了無線充電技術的未來以及該公司 2016 年的計劃。

Energous 公司 WattUp 系統的工作原理可簡要概括為：Energous 使用天線陣列發射多種 5.8 GHz 的無線電波的可控波束，從而在裝置的周圍形成小型能量包，在這個能量包內，裝置的接收天線可以接收這種射頻能量，然後為電池充電。這種能量傳遞的範圍可達數米。

無線充電真的可行嗎？

由於 Energous 公司的第一次演示是在去年進行的，要想說服人們相信這一切並非騙局並非易事。2015 年的演示中通過無線充電的大多數設備中都有內置電池。例如這項演示中，WattUp 發射器可以將能量傳遞給帶有 Energous 接收裝置的、透明塑料包覆的藍色 LED。

事實上，這項演示表明 WattUp 可以在一定範圍內將能量傳遞給目標裝置，但是四個 LED 並不需要太多的能量。第二項演示就更加有趣了。在該演示中，兩個 WattUp 發射器和一個 WattUp 接收器之間相隔大約10厘米，而接收器上有一個 LED 充當載荷：

這項演示中天線直接和功率計相連接，通過功率計可以讀出不同天線所對應的功率。

其功率為 0.673W，電壓低於 5V。在距離目標位置幾英尺的地方，其功率迅速下降了數百倍。當接收天線與發射器不平行時，其幾乎不工作；但是在實際情況下，由於天線非常便宜，且集成到可穿戴設備中的過程非常簡單，因此你可以在每一個表面都放置天線，從而解決方向的問題。在第一幅圖中，接收器有一個略大的天線，可以從發射器處獲得大約 1.6W 的功率。Leabman 說小型接收器可以從發射器處獲得大約 10% 的能量。

該圖片中所呈現的兩種傳輸天線在演示中都涉及到了；當只利用一個天線時，接收器的能量會降低到原來的四分之一。類似的，將天線數量加倍的話可以將接收能量增加四倍。不僅如此，天線陣列越大，能量傳輸的精度就越高。當你深刻理解了這些影響因素時，你就可以按照你的想法來確定天線的形狀和數量。Leabman 也介紹了這些特殊的發射器曾經使用的天線其實還沒有經過優化，而現在 Energous 可以在提供相同能量的情況下，將尺寸縮減到一半。同時，據他介紹，現在他們已經可以進一步將這些發射天線排列得更加緊密，從而可以進一步減小發射器尺寸，且將效率提高了兩到三倍。而在今年，這種尺寸更小、效率更高的發射器將問世。

WattUp 硬體

Energous 並不是一家對生產消費產品感興趣的公司。和大多數無線充電技術公司一樣，他們更樂意將硬體產品賣給消費電子產品製造商，然後由另外的公司來完成設備的製造與集成。因此，Energous 的主要工作是使得這種硬體可以更加容易地集成到可穿戴設備、手機或者任何你想要使用無線充電技術的產品中。

在一台設備中，你需要兩件來自 Energous 的產品：一個 3×3 毫米的晶元，完成射頻到直流的轉換；一根天線，可以捕獲來自發射器的射頻能量。事實上，如果能將該晶元和藍牙或者電源管理晶元集成在一起的話，這種晶元可以做到更小。接收天線其實只是兩層印刷電路板，其工作頻率包括 2.4 GHz 和 5.8 GHz；由於其同時可以用作充電和通訊，因此它可以非常容易地集成到現在的設備中。同時，將多種天線集成到設備中來儘可能接收更多的能量也不是很複雜。更重要的是，晶元和天線的價格都非常低廉，只有大約幾美分。

今年，Energous 公司將專註於 WattUp 的量產準備工作，包括尺寸控制、成本控制以及集成等。公司希望在 2016 年年底時，可以具備製造數億晶元的能力。

由於 WattUp 輸送功率的總量是由傳送天線陣列的尺寸、接收天線的尺寸和兩者之間的距離決定的，因此製造商完全可以根據實際應用場景來對其進行設計。但也是由於其充分的靈活性使得解決 WattUp 的整體效率變得更加困難。

無線充電效率

該系統的效率是由什麼決定的呢？答案是：發射器的尺寸、接收器的尺寸、接收器的方向、兩者之間的距離以及周圍環境特徵。Energous 公司指出，當發射器（發射器尺寸較小，且天線經過優化）和接收器直接接觸的時候，其整體效率可以達到 50%。據 Leabman 介紹，在 1.5 到 2.5 米的範圍內，其效率可以達到 10% 到 15% 左右。經過進一步的採訪，以演示中用到的技術為實例，我們可以進一步了解這種技術目前的發展態勢：

記者：對於消費者來說，如果是在家裡的話，可能會有 1 到 2 個發射器模塊，因此如果發射發射功率是 100W 的話，那麼可以為不同的設備發射約 1 到 2W 的功率，對嗎？

Michael Leabman：50 到 100W 的發射功率下或許可以獲得 5 到 10W 的接收功率。你的接收位置並不總是 20 到 30 厘米那麼遠。有時候你離發射器的位置或許只有 10 厘米遠；有時候或許在 20厘米開外。當你的距離從 20厘米縮短到 10 厘米的時候，你的接收功率將會增加 4 倍。

Leabman 繼續強調了 WattUp 系統的可擴展性以及隨後的變化，這也是一個留給製造商的效率問題，雖然可以獲得的效率範圍看起來已經非常不錯：「最終的效率問題其實不由我們說了算，我們並不生產最終的產品。我們只是提供設計參考，但是一切還是需要由廠商決定。我認為在一年半以前，人們非常關心效率。顯然，如果你有一個 200 到 300W 的電源，這並不環保，而且消費者也不會滿意。我認為我們最終會將功率降低到 100W 以下，且傳輸距離也會在合適的範圍。」

就效率問題，Leabman 繼續介紹道，「就無線充電技術提供的便利性而言，我認為對於大多數消費者來說，效率並不會是一個非常重要的問題。從原則上來說，如果效率低下，意味著我們在浪費能量，但是考慮到我們每天浪費的其他能量，通過無線充電過程浪費的能量就微不足道了。如果有一個人拿著一部手機告訴你，從此以後你不用再擔心充電的問題，但是你需要使用 50W 的電源而不是 5W，你會因為效率問題拒絕這樣一部手機嗎？毫無疑問，無線充電的效率總是趕不上插拔式充電，但是其效率也不是很低，因此我認為大多數人還是會選擇更加方便的無線充電。」

不僅如此，如果你的手機可以一直處於充電狀態，那麼你需要的總能量就會明顯降低，這樣也會降低效率的影響。你不要把無線充電看做是插拔式充電技術的替代品，而是看做一個一直處於充電狀態的充電方式。當你的房間有無線充電器的時候，你並不需要高能量的充電，因為你的電池電量並不會真正降到很低。

安全和認證

誠然，大量的射頻能量浪費到環境中確實是低效的表現，但是更大的問題是這樣做是否安全。射頻輻射並不是離子化過程，意味著這並不會對你的 DNA 造成威脅，亦或是引起癌症等健康問題。但是這仍然是能量，它會引起其他反應，例如在能量足夠高的情況下，可能會對周圍環境加熱。美國聯邦通信委員會制定了人類可接受的射頻輻射的範圍，其中 part 15 就是針對通訊設備的。對於無線充電的管制由 part 18 控制，很多設備的射頻範圍也在此之列，例如醫療和科學設備。

Energous 也意識到了這些並不明晰的監管障礙，但是因為一些原因，這個問題也還一直沒有解決。原因之一就是這個過程的進展並不順利，根據計劃，該公司希望等到有硬體產品的時候才開始這個過程；另一個原因是避免自己直接出面和聯邦通信委員會（FCC）交涉。考慮到這些，Energous 已經和一家一級消費電子產品公司合作，以便可以從合作夥伴處獲得一些經驗。就這個問題，Leabman 介紹了更多細節：

記者：您如何能保證 WattUp 對人一定是安全的？您又如何能保證這款產品會通過 FCC 認證？

Michael Leabman：只要涉及到功率等問題，我們就必須通過監管。而射頻有自己的監管標準。如果我們希望在一個很小的區域內傳送 5W 的能量，我們就需要獲得認證。和一級消費電子公司合作的一大優勢是，他們在 FCC 領域一直處於領先地位。他們的 FCC 團隊比我們的整個公司還要大；他們已經完成了數百件產品，因此他們知道如何來處理這樣的問題。我們已經和他們共事了一年，我們採用的方法是他們不想分享的，但是你必須要保證技術的安全，無論你是站在發射器之前或者在距離之外。

記者：那麼貴公司是否有相應的計劃？

Michael Leabman：當然。當你有一個數十億美元的公司，你最不想做的就是毀掉自身的形象。因此對於他們來說，這是非常重要的。安全是最重要的一方面，如果他們不認為這裡有一個很清晰的計劃的話，我們不會有與他們一起工作一年的機會。

任何無線充電都需要通過 FCC part 18。Part 18 並沒有在距離方面來考慮射頻，而這也正是我們要提交給 FCC 的部分，他們需要理解該系統的工作原理，以便我們的申請可以獲得通過。而這也需要一定的時間。我認為我們有一個非常清晰的計劃，而這也是我們的合作夥伴唯一讓我們可以透露的部分。

記者：當你在完成 FCC 的這一流程時，是否意味著他們有一個認證清單，而你們需要完全滿足這些要求，以確保產品的安全，或者需要滿足的要求更多？

Michael Leabman：既是，也不是。當然，對於射頻來說有很多相對應的法規要求，哪些是安全的，哪些是不安全的。對於手機來說，有比吸收率（SAR），最大允許曝射量（MPE）。關於射頻的好的地方是，他們知道什麼是安全的，他們有相應的法規，因此這是所知道的部分。在 Part 15 之下你能傳輸的最大功率是 1W。顯然，如果你想要傳輸 1W 的功率，你的發射功率肯定需要大於 1W。當 Wifi 誕生的時候，人們也花費了一定的時間才認識到它是安全的，後來人們接受了 Wifi。因此，我們說，我們有非常清晰的計劃。

記者：在 Part 15 時，傳輸功率不能超過 1W，是因為當傳輸功率高於 1W 時就不安全嗎？

Michael Leabman：在 Part 15 時，事實上，當你使用定向天線，例如碟形天線時，傳輸的功率可以明顯高於 1W。但是這些規則其實已經是 20 年前制定的，沒有人能夠在 20 年前預料到無線輸電技術的存在。很多的標準其實制定得比較寬泛，例如 Part 18，因為沒有人知道其將會是什麼。那麼，對於無線充電來說，這意味著什麼呢？我們需要告訴 FCC 無線輸電的工作原理，並且告訴 FCC 其在各個區域都是安全的。因為這是一個全新的東西，所以你需要經過所有的這些過程。

我希望 Energous 能夠推動這個過程的發展，但是這個過程確實非常不容易完成，因為這是完成從技術到產品的飛躍。我相信這個過程一定會實現，因為 Energous 合作的公司是一家全球 1 級消費電子產品公司，這樣的公司在合作之前必定是有信心可以製造出安全的、可以通過 FCC 認證的產品。

2016 將會有什麼變化

開發一個以全新平台為基礎的技術的問題是，你很難說服製造商在沒有消費需求的情況下將其製作成產品；而如果設備集成的話又很難產生消費需求。例如：我對無線充電非常感興趣，但是我並不會在我的手機上加一個體積龐大的設備來利用這種技術。那麼，你將如何要求製造商投資這種技術？使用無線充電的時候，又會有另外一個問題：一旦你離開家，你就陷入了麻煩之中，因為其他區域還沒有應用這種技術。

Energous 對於這兩個問題的解決方案是從小部分開始。他們開發了一款並不昂貴的通過 USB 供電的 WattUp，這種設備可以在短距離內為一些小型裝置無線充電。和傳統的電源不同，這種產品和可穿戴設備一起銷售。

例如，你購買一款健身腕帶時，相應的充電設備不是 USB 適配器或者電纜，而是 WattUp 無線充電設備，且你無需另外花錢。需要充電的時候，你無需將它解下來，而只需將 WattUp 插入到電腦的一個連介面就可以。或者你可以將其解下來，放到離適配器不遠的地方進行充電。遠距離無線充電不再是夢想，但是還需要花費更多的時間和精力來進行進一步研究。而且當你計劃將充電設備更新為更大型的、可以進行更遠距離充電的 WattUp 發射器時，你的健身腕帶也可以充分利用這種新型無線充電設備，因為它已經是這個生態系統的一部分。

這種小型無線充電裝置的適配器的技術和 WattUp 的大功率發射器其實是一致的。由於其對於近距離傳輸進行了一些優化，其天線是由超材料製成，其設計略有不同。重要的是，你的設備並不會區分你是採用的近距離適配器還是遠距離天線。如果設備可以通過一種裝置充電，那麼它也可以通過另一種裝置充電。

儘管將這種技術優化後應用在小型可穿戴設備上是一種非常明智的選擇，但是該公司的合作夥伴想要直接將 WattUp 接收器集成到移動消費電子產品或者配件上，這或許意味著平板電腦或者手機。該公司同樣也會製作 WattUp 功率發射器。Energous 有信心在 2016 年末或者 2017 年向市場推出這樣的產品。

無線充電技術的未來

通過一系列的演示，我們可以體會到這種技術的工作原理和方式，但是這和最終的消費者產品還是有很大的差距。而距離最終成為產品還有很長的路要走。Energous 和其他無線充電技術公司一樣，都非常善於傳遞夢想，並且在有限的條件下為你呈現這個夢想。

這項技術確實可以實現，但是需要其更加可靠、成本更加低廉、更加安全、同時還需要被消費者接受。它會改變我們現在的世界嗎？例如替換現在的手機生產線，就像 Wifi 曾經做到的那樣？也許會。就我個人而言，我希望如此，因為我真的討厭不斷通過充電器充電的日子。但是只有當我們真正擁有了內置無線充電技術的消費者電子產品時，我們才能說，「是的，這個世界正如我們曾許諾的那樣。」保持一定的實用主義（與懷疑主義）都是重要的。

文章來源：IEEE Spectrum. 由 TECH2IPO / 創見 林雲簫 編譯，首發於創見（TECH2IPO/創見），轉載請註明出處。