聊一聊無線充電那些事兒

不知道各位有沒有發現，近些年的智能手機在材質的選擇上，無論是高端與否，都開始有意將金屬材質排除在手機之外。固然，這里面有控制成本和全金屬機身信號天線不好設計的原因在，但還有一點，就是對于無線充電功能的考慮。在2023年的今天，市面上的手機已經有越來越多的型號開始支持無線充電，不知道各位讀者手中的手機里是否也集成了無線充電的功能呢？對于各位來說，無線充電的加入有沒有提高手機的使用體驗呢？這篇文章，我們就來說道說道。

其實無線充電這項技術并不是一項全新的技術手段，早在1890年，塞爾維亞裔美籍物理學家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉就提出了無線輸電的構想，發明了“特斯拉線圈”，開啟了無線式電力傳播時代的大門。但是，特斯拉的腦洞過大，就算是今天也難以實現，更不用說100多年前了。而我們今天智能手機中所采用的無線充電標準則是在2008年12月，由飛利浦電子、德州儀器等幾大公司攜手組建無線充電聯盟WPC，共同制定無線充電標準Qi并在其誕生的十幾年的時間中，被廣泛采用，成為了全球分布范圍最廣、最普及的無線充電標準。

我們先來說說，具體什么是無線充電。顧名思義，無線充電技術是指無需借助電導線，在發送端和接收端用相應的設備發送和接收產生感應的交流信號來進行充電的一項技術。無線充電技術有四種，分別是電磁感應、磁共振、無線電波和電場耦合。而目前的智能手機主流都是采用的Qi標準就是以電磁感應原理來為手機進行無線充電。

所謂電磁感應，中學物理課上曾經講過這個概念，不知道各位當時有沒有認真聽講，其概念也很簡單，就是當電流通過線圈時，會產生磁場，當閉合電路磁通量發生變化時，會產生感應電動勢。無線充電就是這么一個過程，無線充電底座的作用就是將變化的電流轉換成磁場，而手機背板里的的無線充電線圈，因為底座磁場不斷變化，所以線圈中的磁通量也在不斷變化，產生感應電動勢，從而進行充電。使用電磁感應進行充電最大的優點就是能量效率較高、技術簡單。但是其缺點也顯而易見，就是它做不到真正的無線充電，它的有效傳輸距離只有1cm左右，并且，充電效率也受到手機擺放位置的影響，因此，還是需要手機時刻都準確地放在充電底座的線圈上，一邊無線充電一邊玩的場景十分受到限制。所以，這就是如今無線充電很尷尬的地方，在絕大數場景下，無線充電并不是真的”無線”充電，手機必須要放在充電器之上，對于可以邊沖邊玩的傳統有充電來說，甚至還更麻煩了。但是，如果是在汽車、辦公室等不經常使用手機的場景中使用，目前的無線充電技術還是可以提供一些便利性的，放下即開始充電，有事兒便可以將手機那走，不用在多一步拔掉充電線的操作，這時，無線充電還是有它存在的價值的。

那么，現在有沒有一種可以做到真的無線充電的技術呢？其實還是有一些概念機型存在的，就比如小米公司于2021年推出的隔空充電技術就是其中之一。雖然直到今天，這項技術還是沒能商用，但我們還是能在其中，一窺未來的“真·無線充電”的產品技術和其形態。

小米隔空充電技術

第一，我們先來解釋一下什么是隔空充電，上文也提到過，目前的電磁感應技術只能做到1cm之內的能量傳輸，而隔空充電，就是要大大延長這個距離。隔空充電，是用天線把電路中的電流轉化為空間中的電磁波，即把能量從設備里輻射到空間中，再在一定距離之外，用天線把空間中的電磁波轉化為電路中的電流，實現能量的接收。

第二，我們來看看目前想要實現隔空充電需要克服什么困難。

首先，就是要解決電磁波的定向性（術語叫天線方向系數），打個比方來說，就是我們需要做出一個手電筒高度集中的傳輸，而不是一臺電燈四面八方照。所以，我們就需要波束賦形技術來解決這個問題，所謂波束賦形，就是利用波的干涉現象，來控制電磁波的方向。想象一下，你往湖中很近的兩點扔了分別扔了一塊石頭，那么它們激起的漣漪，一定就是下圖這樣。

水中的漣漪

可以看出，有的地方水波增強，有的地方則減弱，并且增強和減弱的地方間隔分布，在最中間的狹窄區域最為明顯。如果波峰和波峰，或者波谷和波谷相遇，則能量相加，波峰更高，波谷更深。這種情況叫做相長干涉。反之，如果波峰和波谷相遇，兩者則相互抵消，震動歸于靜寂。這種情況叫做相消干涉。如果把這個現象擴展到電磁波上，就會得到下圖

這樣就能將原本發散的能量集中到一條直線之上，從而實現隔空輸送電力，為手機充電。一般，頻率越高，越容易做到高定向性，穿透性越差，因此，就需要增大陣列的的面積，從而收窄波束，但是一旦這樣做，且不說電磁波段的使用是有嚴格規定的，單單產品的體積就很難控制。

其次，便是手機位置的實時跟蹤。作為一個手電筒，它必須要知道自己需要照哪個方向，其實實現這項功能的技術很早就存在，并且已經在軍事上大規模運用，這便是雷達上的相控陣技術，如果各位想要了解什么是相控陣技術，可以移步下面這篇文章，這里就不展開闡述了。

有源相控陣與無源相控陣雷達

http://www.newmiphone.com/article/202208/437292.htm

雖然技術上很容易解決，但是在商業的角度上看，相控陣技術最大的問題就是十分昂貴，短期內，很大大規模進入市場。

最后，便是難以接收。就像手電筒一樣，幾米之外，手電筒的光就會發散成一個遠比手電筒口徑大的光斑；波束再怎么聚焦，在幾米外也已經是一個截面積比發射天線更大的波束了，手機上的接收天線，撐死了跟手機一樣大，最多在這個波束里“截”下來跟手機那么大面積內的能量，大部分能量還是浪費掉了。況且手機接收天線設計有諸多限制條件，要做到高孔徑效率很難，而且有角度依賴性。很有可能隔空充電底座的發射功率是100W，到了手機這里只剩了5W甚至更低，大量的電能會白白浪費掉。

總之，如今的隔空無線充電還是一個技術上可能成熟，但是工程上問題很大的新產品，小米在2021年推出的概念產品，到今天也沒有正式量產，就證明了實用的隔空充電技術還有許多問題，筆者認為，在未來的5年內傳統的磁感應式無線充電，仍然會是市場的主流形態。如今，更有可能快速推入市場的，更有可能是新能源汽車的無線充電，當然了其采用的技術，應該依舊是傳統的磁感應式。