隔空充电是什么原理

发布者：智家网
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2021-07-15 15:27:43

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　　一提起隔空充电，很多人会想到已经应用多年的无线充电，但无线充电需要充电底座支撑，而隔空充电连充电底座也不需要，限制更少，更加方便，可以认为是无线充电的升级版。那么，隔空充电是什么原理呢？它是如何做到的呢？

隔空充电是什么原理

　　首先，和无线充电技术一样，使用电磁感应技术给手机提供能量。所谓电磁感应技术，就是充电器与用电装置之间以磁场传送能量，两者之间不用电线连接，因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。其次，隔空充电技术涉及到空间定位原理，隔空充电装置内建5个相位干涉天线，可快速针对手机进行毫秒等级的空间定位，精准探测手机位置；透过波束成形将毫米波定向发射给手机，就可立即启动5W远距离隔空充电。

　　隔空充电技术原理及难点：隔空充电的原理，是用天线把电路中的电流转化为空间中的电磁波，即把能量从设备里辐射到空间中，再在一定距离之外，用天线把空间中的电磁波转化为电路中的电流，实现能量的接收。这也叫“微波输能”，比如以前就有人设想用太阳能板在太空中接收能量，通过微波波束传到地面，地面接收并转换成电能。

　　对手机隔空充电这种场景来说，第一个难度是电磁波束的定向性（术语叫天线方向系数D），就是需要像手电筒激光束一样高度集中的传输，而不是像电灯泡一样四面八方照。首先需要使用“面天线”（就像卫星电视“锅盖”或“平板”一样的一个“面”，而不是像路由器一样一“根”天线），然后提高天线的定向性的方法（与直觉可能正好相反），需要口径越大，波束越窄，所以加大天线面积。

　　另外，电磁波的频率很关键。大概来说，频率越高，越容易做到高定向性，穿透性越差。手机、wifi等用的都是几个GHz以下的电磁波，而“毫米波”按严格定义是30GHz到300GHz之间的电磁波，波长1-10毫米。电磁波段的使用是有严格规定的，由国际电信联盟和国家无委会统一规范。国内民用的毫米波通常使用60GHz波段和77GHz波段，当然还有24GHz波段有的人也算作毫米波的。

　　第二个难度是定位跟踪。手电筒得知道手机在哪并且照的方向跟着手机走。这里简要说一下小米宣传里说的相控阵吧。相控阵就是这样一种在天线自身固定的情况下，波束指向可以灵活控制的技术。它由很多个小天线（比如大型机载舰载相控阵都有几千个）组成一个面阵，而每个小天线出来的电磁波的相位是可以通过移相器等器件来调控的，进而可以在面阵上形成灵活的不同角度的等相位面，而电磁波能量的传播方向就是垂直于等相位面的，从而形成灵活指向的电磁波束。这套相控阵技术的最大毛病就是贵。

　　第三个难点是接收。波束再怎么聚焦，在几米外也已经是一个截面积比发射天线更大的波束了，可以想象手电筒的光。手机上的接收天线，撑死了跟手机一样大，最多在这个波束里“截”下来跟手机那么大面积内的能量，大部分能量还是浪费掉了。况且手机接收天线设计有诸多限制条件，要做到高孔径效率很难，而且有角度依赖性。

　　最后，传输功率的绝对值高低（比如小米说的5瓦）其实不太说明技术水平，经过发射、扩散传播、接收三个环节的总传输效率的高低才真正说明技术水平。

手机隔空充电是什么原理

　　手机隔空充电其原理是：手机内置信标天线，在室内广播位置信息，并向充电桩发射充电请求信号，充电桩采用5个相位干涉天线对手机精确定位，采用波束成形技术定向集中发射毫米波段的射频信号到手机上，而在手机上，由14根天线组成的接收阵列天线，吸收承载射频信号的电磁波能量，然后整流电路把电路中包含了这些电磁波能量的电流转化为充电电流，将电能存储到电池中。目前这一隔空无线充电技术，已经实现了数米半径内，以每台设备5瓦的功率充电。

　　隔空充电，这个技术看起来非常酷炫，实际上如果拆解一下，它不过是由几个已有的技术——无线充电、波束成型和UWB定位组合起来的效果。首先来看无线充电。它的原理，是制造一个小小的电磁场，通过电磁感应来传输能量，我们日常使用的电磁炉就是这个原理。那么隔空充电呢，因为距离远了，就不能制造一个磁场把充电设备和手机同时“圈”进去，只能改用电磁波来传输能量。说白了就是通过天线将电磁波发送给手机，相当于我们日常使用的WiFi和移动通信的“能量加强版”。

　　从原理上来讲，手机无线充电采用的电磁感应式技术相对“落后”。但之所以被厂商广泛使用，还是因为门槛低。然而这种低门槛牺牲的是用户体验，这也是为什么在科技爱好者之外，手机无线充电并没有很高的普及度，大部分用户丝毫不介意使用有线充电。成熟的、低成本的电磁谐振和射频无线充电器出现后，无线充电才能真正实现大家想象中的那种远高于插线充电的便利性。

　　不过，从业界这些专注“隔空充电”技术公司的产品，和小米、摩托罗拉对新技术的自信来看，隔空充电可能已经不再需要长时间的过渡。如果事实真是如此，那么在消费电子领域（电动汽车前景依旧很好），电磁谐振无线充电应该是没机会取代电磁感应无线充电了，因为大家很可能会从现有的电磁感应无线充电直接过渡到隔空充电。

　　隔空充电技术的核心

　　此次要说的隔空充电技术，其实就是一种无线射频技术，这类技术的原理就是以空间电场为媒介进行能量传输。

　　目前，隔空充电技术主要包括空间定位和隔空能量传输两个核心技术：隔空充电桩需要精准探测手机位置，再通过手机内置的144根天线阵列，将发送过来的毫米波接收并转化为电能，手机端通过微型信标天线接收，可以在半径数米的空间内，实现功率为5W的远距离无线充电，从而实现隔空充电功能。并且，它同时还支持多设备同时充电（每台设备均支持5W），异物遮挡和使用手机时也不受影响。

　　虽然5W的功率放在现在的电子行业中并没有什么优势，但之前美国一些先发企业所推出的解决方案，大多也仅有1W—2W左右的充电功率，其充电效率过低，无法在消费电子领域大规模应用。

　　随着这项技术的不断成熟，隔空充电技术将走进家庭。未来，除了智能电子设备以外，智能家居和智能穿戴设备也将支持隔空充电技术。隔空充电技术让房间实现无线化，让智能家居和智能穿戴设备正式进入无线充电时代，智能家居产品能够自由移动并且24小时在线。

　　隔空充电还有哪些挑战

　　不接触的隔空充电技术，无疑给我们带来了巨大惊喜，但同时，就现有技术发展来看，还有一些问题亟待解决。

　　首先，5W的充电功率效率较低，仍然需要进一步提升。

　　其次，隔空充电技术的充电桩体积较大，工艺较复杂，成本高，售价也比较高，如何降到一个消费者可以接受的价格范围，也是企业需要考虑的问题。

　　隔空充电技术的辐射对人体健康有无影响

　　一说到辐射，很多人就变得惶恐不安。

　　其实宇宙中只要有温度的东西都会有辐射，我们生活在各种物体的辐射之下。生活中不可缺少的大型家电，如电冰箱、洗衣机、电脑、电视机、空调，小型家电如台灯、微波炉、吸尘器、吹风机、电熨斗、无绳电话，甚至剃须刀都有电磁辐射，当然，家用电器的电磁辐射量均在国家安全范围之内，我们只要对其进行正确以及适度的使用，是不会对人体健康造成危害的，人们也不必为每天生活于这些电器之中而过分担忧。

小米隔空充电技术原理

　　小米隔空无线充电技术隶属于微波式无线充电技术，但又有所不同，因为它设计了波束定位传输技术，不需要微波在广域内传播。实际上，手机只是一种移动终端。而这种隔空无线充电技术也可以应用在其他移动终端（如笔记本电脑、平板电脑、智能手表、蓝牙耳机等）的充电中。北京小米移动软件有限公司为采用这种技术的无线充电系统所申请的发明专利（“无线充电系统及方法”）已被授权。小米发明的无线充电系统的组成包括：智能管理设备和无线充电发射器。智能管理设备用于接收移动终端的无线充电请求、向无线充电发射器下达充电指示。无线充电发射器则根据指示中的方向信息确定射频信号的发射方向从而给移动终端定向充电。这一技术解决了之前移动终端需要通过充电底座进行无线充电从而限制终端的移动的问题。为用户在充电的同时灵活地使用移动终端带来了便利。

　　在电池领域还没有出现革命性的技术之前，为了让智能手机尽可能的延长续航和提升充电速度，各家手机厂商都削尖了脑袋的专研各种充电技术。从十九世纪末，美籍科学家尼古拉·哥斯拉发明“特斯拉线圈”以来，人类就对隔空取得进行着不断的尝试。截至目前，科技实现了无线充电，甚至功率已经做到了80W以上。但真正意义的隔空充电，研发依旧困难重重，没有进行商用。

　　在无线充电的道路上，小米一直都是激进者，从2020年3月的40瓦、小米10至尊纪念版的50瓦，再到10月的80瓦，短短半年多时间李，小米无线充电功率已经实现翻倍。2020年10月，小米正式公布了80瓦无线秒充技术。据小米公布数据显示，小米80瓦无线秒充，4000mAh电池8分钟就能充一半，19分钟就能充满，已经十分接近市面上最快的有线快充。

　　1月29日上午，小米正式发布了隔空充电技术（MI Air Charge），不用插线，不用底座，可以给智能手机进行远距离无线充电。官方表示，未来还能为音箱、台灯等小型智能家居产品进行充电。

　　根据小米公司的介绍，隔空充电技术通过小米自研隔空充电桩实现。这是一个长方形的立柜式设备，有点像一台空气净化器。其中内置5个相位干涉天线，用于对手机进行毫秒级空间定位；144个天线构成相位控制阵列，通过波束成形将毫米波定向发射给手机，手机通过微型信标天线接收，就能实现数米半径内5瓦远距离充电。

　　在手机端，小米也自研了天线阵列的小型化设计，内建信标天线和接收天线阵列。信标天线通过低功耗方式在空间场内广播位置信息，14根天线组成的接收天线阵列，将充电桩发射的毫米波信号，通过整流电路转化为电能。

　　这一整套系统由小米自研，该公司拥有17项技术专利。目前，小米自研的隔空充电技术可为智能手机、智能手表、手环等穿戴设备隔空充电。未来还能为客厅，包括音箱、台灯等小型智能家居产品充电，让这些设备摆脱电源线的束缚。

　　在隔空充电早期发展的过程中，除了技术难题，还有许多关于该技术的质疑声都集中在了是否会对人体健康产生影响。直到今天许多人还认为手机、Wi-Fi和基站信号会对产生辐射而影响人类健康，时常有新闻说某个小区居民因为害怕辐射，把基站拆除导致手机无法使用，或是谁家老婆怀孕后在楼道张贴通知，“禁止”所有邻居使用Wi-Fi等……

　　目前科学界尚没有实际证据证明这些无线电波对人身体是否有害，但人在家庭环境暴露在无线电辐射中，要保证充电速度，一定得加大功率，对身体影响的疑虑不太容易消除。

　　辐射分为电离和非电离，毫米波不同于α、γ和β射线，它不会对照射物体产生化学法应，从而也不会使物体产生任何DNA变化。并且目前没有任何一项实验数据表明，毫米波的辐射会给人体健康带来负面影响。

　　隔空充电是什么原理？简单来说，就是用空间电场取代了原有的数据线充当媒介来传递能量，其优势之处也显而易见，充电更加灵活。除了体积小，隔空无线充电的元器件还有成本低、灵活、密封防水等优势，如此一来，手机里的空间可以腾出来给其它元器件，一定程度上可以提升产品体验。目前，隔空充电技术在技术上已经进入了成熟期，未来几年预计相关技术会稳步提升，成为越来越多智能设备的首选充电方式。