一块电视大小的平板，可以为房间内的任何电子设备无线充电，只要平板和设备之间没有阻碍？这个可以有！

　　2016年10月23日，在论文预印本发布网站www.arXiv.org上，华盛顿大学、杜克大学的以及Intellectual Ventures公司旗下的创新科学基金的科学家共同发表了一篇论文，宣称他们已经从原理上充分证明了平板无线充电器的可行性，剩下的工作就是设计出一套实际可行的具体方案。

　　来自西北大学电子工程副教授马特·雷诺兹（Matt Reynolds）表示，未来人们要充电的设备会越来越多，而有线充电严重限制了设备的移动性。研究团队提出的方法基于LCD技术，能够对各种智能设备进行无线充电。

放置在起居室的纯平菲涅尔区无线充电系统原理示意图。图片来源：杜克大学

　　无线充电设备必须既能够对目标设备提供足够强的微波进行充电，又必须避免人、宠物和其他物体暴露在过强的微波能量下。长期以来，该问题阻碍着无线充电的实用化。研究团队计划采用新型合成材料来提升微波充电的功率和作用距离，同时又能保证人员安全。

　　现有的无线充电系统，无论是用于麦克风、手机还是平板电脑，都有一个最大问题——被充电设备只能放在无线充电器的近旁。

　　造成这个结果的是此类无线充电器的工作原理，这类充电方式类似于电磁炉，都是基于谐振磁近场来实现——设备和充电器都配备线圈，充电器中的线圈通入电流产生磁场，然后磁场在被充电设备的线圈中产生电流。

　　这种充电方式有一个最大好处，那就是对人的安全性很高，这也是它很快能够投入应用的重要原因。

　　然而，谐振磁近场技术有个致命弱点，那就是工作距离近得可怜，其原因在于充电器线圈和设备线圈的耦合——也就是充电效率——随距离的衰减快得惊人。

　　新提出的无线充电方法工作于微波波段，因此作用距离可以覆盖普通住宅的整个房间。

　　为了达到可接受的无线充电效率，新系统工作在菲涅尔区（Fresnel zone）。菲涅尔区是一个由天线参数决定的空间区域，这个区域内，电磁场被聚焦，以保证能量密度足够高，可以为设备高效充电。

　　文章第一作者，杜克大学电子和计算机工程系主任戴维·史密斯（David Smith）教授表示，他们的新技术类似于透镜，通过调整系统参数，充电器可以把微波能量聚焦到屋内的任何位置，来为设备充电。

　　微波无线充电系统的主要技术难关在于天线，传统的机械旋转抛物面天线在原理上可行，但是这会占据太多空间，不适用于室内充电设备。

　　另一种方案是采用相控阵天线，即由大量的小天线组成一个大平板天线，每个小天线的波束相位可以调节，从而形成窄波束。相控阵天线的缺点在于其成本高昂，同时消耗能量太多，因此也不适合家用。

　　因此，科学家们决定选用一种新的解决方案——超材料（metamaterial）。这种特殊的人工复合材料凭借其特殊的性质能够控制电磁波的传播。

　　超材料通常由许多尺寸小于电磁波波长的小单元构成，当微波通过由这些小单元组成的平面板后，通过对于这些小单元的预先设计和调节，就能对从另一侧透出的微波进行聚焦。

　　在发明这款“无线充电平板”之前，史密斯团队曾经使用同样的原理，制成了世界首款能够令电磁波绕开物体的隐身材料。

　　在发表的论文中，史密斯团队通过计算证实，用电磁波控制材料制成无线充电系统是可行的。一块常见液晶电视屏幕大小的电磁波控制材料板可以把微波能量聚焦在10米外，聚焦区域的大小不超过1个智能手机。此外，这种充电器还可以同时给多个设备供电。

　　当然，在工程设计上，新无线充电器还面临着巨大的挑战。

　　首先，必须研制出具有足够功率和效率，且成本低廉的微波源。

　　其次，处于安全性的考虑，充电器必须在人接触到充电波束时，立即自动中止充电。

　　再次，还必须有控制系统将能量聚焦区置于用户所希望的指定位置，这同样是个不小的挑战。

　　尽管如此，史密斯依旧信心满满，他认为这些工程问题虽然有一定困难，但都是可以解决的。

　　不久的将来，安装在房间顶部的无线充电器可以对屋子里的所有设备充电，让你彻底摆脱充电线的束缚。

　　参考: An Analysis of Beamed Wireless Power Transfer in the Fresnel Zone Using a Dynamic,Metasurface Aperture: arxiv.org/abs/1610.06799

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编辑、视觉设计、实习生（编译）

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