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发布时间：2021-11-15 16:43所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
近年来，无线传输技术的商业化已经广泛认可并强调了充电无绳化的优势。 无线充电技术能够向大型三维空间内无数分散着的电子设备进行安全电力传输。 随着 5G 时代的到来，未来更多的电子设备将广泛应用于生产、消费、服务等众多领域中。 现在，电子设备包括手机、传感器
近年来，无线传输技术的商业化已经广泛认可并强调了充电无绳化的优势。 无线充电技术能够向大型三维空间内无数分散着的电子设备进行安全电力传输。 随着 5G 时代的到来，未来更多的电子设备将广泛应用于生产、消费、服务等众多领域中。
现在，电子设备包括手机、传感器和机器人等广泛应用于工业和个人生活环境中。 不过，目前大多数的电子设备首选的还是有线连接的充电方式或是一次性电池。 这些都需要手动操作，并且可能对环境产生负面影响。 近年来，无线传输技术的商业化已经广泛认可并强调了充电无绳化的优势。
无线充电技术能够向大型三维空间内无数分散着的电子设备进行安全电力传输。 不过，在可传输功率水平与传输距离之间的权衡阻碍了这项技术的发展。 早期的无线充电技术大多依靠电磁辐射。 虽然现在的波束成型技术能够实现一定距离范围内的有效电力传输，但是这需要大量的天线阵列以及复杂的机制才能实现持续的追踪。 此外，因为微波会对生物组织形成较大的影响，安全问题会增加。
在没有负面健康影响下传输更高功率的电力，磁共振耦合利用磁场在一对线圈谐振器之间传输电力。 不过，随着距离的增加磁场强度会快速下降，会将电力传输的范围限制在线圈直径以内。 除此之外，带有大型发射器和小型接收器的非对称系统，由于不足的耦合会出现低效能，而使用多重线圈只能将范围延伸至2D表面。 准静态空腔共振 (QSCR) 利用带有一个中心磁极的室内空腔，并嵌入了集中电容。 这种方式会在房间内通过广泛分布在框架内的电流形成3D磁场分布。
相比充电中使用传统腔基谐振器，这次的新技术具有限制磁场范围的优势。 磁场范围主要干扰集中电容中的生物结构,同时通过调整集中电容的估值，协调系统的共振频率。 然而，准静态空腔共振 (QSCR) 的电场分布是不均匀的，所以空间容量中大部分的电力传输都是无效的。 近期研究显示，在大场域中实现有效电力传输需要将准静态空腔共振延伸至多模态结构。 最近，日本东京大学与美国密歇根大学的科学家们通过实验证实，利用室内多模态谐振器产生两个独特且广泛分布的磁场模式，当两个磁场同时开启时，能够覆盖整个空间容量并达到有效电力传输。 在此次实验中，科学家们在一个规模为3 m × 3 m × 2 m的室内，利用磁场模式有效地完成了电力传输。
研究人员将这一技术称为多模态准静态腔基谐振 (M-QSCR)——由导电表面和集中电容所组成的谐振结构，能够将多种谐振模式与双向单一模式的震动表面电流相适应。 实验表明，运用这一技术如落地灯、电扇、手机等电子设备都能够在配有家具的房间内进行无线充电。 另外，计算机模拟显示这次的室内谐振器能够对传输范围1/5000空间内的电子设备进行超50瓦功率的安全充电，多模态室内谐振器腔基技术同样适用于狭窄的传输范围。 而此前的准静态空腔共振 (QSCR) 方法只能支持单一电流与磁场分布，导致充电充电区域的无效。
研究人员表示：“我们的多模态方法能够有选择性地根据外部驱动线圈的特征产生多种磁场模式，因为驱动线圈能够电磁感应与室内传输谐振器发生耦合。 ”此后，磁场产生范围内的接收器就能够被输入电力。 由于所产生的磁场模式补足了彼此的无效区域，整个场域都得以有效覆盖。 如果只运用单一的磁场模式是无法做到的。 除此之外，如果使用现有的谐振模式，就需要利用阻塞中心导电级。
当一直对大型空间范围保持电力输送时，单一模式的准静态空腔共振就很可能被忽略掉。 表面导体比如铝箔可以自然地支持多个方向的电流分布。 不过，能够适应多种高质量因素的谐振模式，其中每一种模式所产生的磁场样式都能够覆盖整个场域中的不同区域的方法目前还不清楚。 此次的方法是基于磁力准静态场进行的，谐振出现在磁力能量与电子能量平衡的状态下。 因此，产生广泛分布磁场模式的导电表面的排列方式以及在假定电流回路中集中电容的有效嵌入是设计这项技术结构的首要标准。
因此，研究人员设计出能够适应两种广泛分布电流模式的室内谐振结构，一种电流模式主要分布在室内中心的附近，并且作为强烈极电流的回路，所有墙上的电流方向都是完全相同的。 与此同时，另一种电流模式分布在结构的边缘，并且电流方向在临近的墙上是相反的，作为临近墙电流的回路。 我们假设这些分布能够组成一个独特的磁场模式，可以覆盖所有的无效区域。
另外，研究团队对这一技术在运行中可能会对生物组织产生的能量做了安全性测试。 测试中，技术所产生的充电功率大约为 100 瓦，对人体来说处于安全值且符合联邦通信委员会( Federal Communications Commission，FCC)和电气与电子工程师学会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)制定的准则。
据此研究团队表示，他们未来将向更高功率进行扩展，“我们的方法支持大容量内的数十瓦功率传输，并且在系统维度上提供了灵活性，不受空间中日常物品的显著影响。 鉴于这些特性，此技术将具有很多潜在应用。 ”以往电子设备的接收线圈与接收磁场的角度会产生不同效率(信号)，越正确的角度越会实现最大效率。 但在本次研究中，电子设备无论在房间内如何移动，两者传输效率仍可超过 37.1%。 研究人员认为，相较于传统的接收发射器，这种新技术更具灵活性。
随着 5G 时代的到来，未来更多的电子设备将广泛应用于生产、消费、服务等众多领域中。 而电子设备的充电和续航或成为最大影响效率的问题。 对此，研究团队称，室内磁力准静态无线充电系统未来可以轻松应用于厂房、仓库、无线供电室等更大结构的建筑内。 不过，为了让该技术更加安全并实现进入住宅环境，可能还需要几年时间。 当提及未来无线电能传输的发展，研究人员表示，“现在研究领域有许多先进技术可用，这些技术将随着特定应用的出现一起发展起来，新应用对技术的需求将会激发其他相关的基础研究。 ”
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《利用腔基多模态共振器室内磁力准静态无线充电》