未來最重要的電磁輻射排放源：無線充電技術(shù)的發(fā)展歷史

        實(shí)際上無線供電的設(shè)想早在一百多年前*已經(jīng)出現(xiàn)。早在1890年，尼古拉?特斯拉（Nikola Tesla），這位現(xiàn)代交流電系統(tǒng)的奠基者*開始構(gòu)想無線供電方法[8]，*后提出了一個(gè)非常宏大的方案——把地球作為內(nèi)導(dǎo)體、距離地面約60千米的電離層作為外導(dǎo)體，在地球與電離層之間建立起大約8Hz的低頻共振，再利用環(huán)繞地球的表面電磁波來遠(yuǎn)距離傳輸電力。他想像電能能像廣播一樣傳遍全球。1900年，特斯拉得到了150,000美金的研究經(jīng)費(fèi)（51%來自于J.P.摩根），并開始計(jì)劃建造華登克里夫塔（Wardenclyffe Tower，見圖1.1），這個(gè)塔一度被當(dāng)時(shí)的報(bào)紙稱為“特斯拉的百萬大建筑”，特斯拉希望用這個(gè)塔進(jìn)行跨大西洋的無線電廣播和無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)。特斯拉*終建成了一座高187英尺的鐵塔，鐵塔頂部有一個(gè)直徑為68英尺的半球型圓頂。鐵塔尚未完工，特斯拉*迫不及待地開始了他的實(shí)驗(yàn)。而1908年通古斯大爆炸之后，特斯拉停止了無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)甚至有人懷疑，1908年的通古斯大爆炸也與特斯拉的華登克里夫塔有關(guān)，由于紐約市民關(guān)于華登克里夫塔實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述和通古斯事件目擊者觀察到的征狀相符，同時(shí)在通古斯大爆炸前后，特斯拉曾多次到圖書館查閱中西伯利亞地區(qū)的地圖。后來因?yàn)槟Ω某焚Y，特斯拉陷入了經(jīng)濟(jì)困難，華登克里夫塔也被拆除抵債。盡管特斯拉的研究*終沒有結(jié)果，但是他當(dāng)初的無線輸電構(gòu)想*是足夠大膽。

        到了20世紀(jì)20年代中期，日本的H.Yagi和S.Uda論述了無線輸電概念的可行性；30年代美國(guó)的學(xué)者也開始研究不利用導(dǎo)線去點(diǎn)亮電燈的輸電方案。隨著大功率、高效率真空電子管微波源的研制成功，20世紀(jì)60至70年代之間Raytheon公司的William C. Brown做了大量的無線供電方面的研究工作[6][7]，使得這一概念變成試驗(yàn)結(jié)果，奠定了現(xiàn)代無線供電的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，他設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效率的半波電偶極子半導(dǎo)體二極管整流天線，把它放在用來反射電磁波的導(dǎo)電平板之上，純電阻作為負(fù)載，用低噪聲、高效率的放大管和磁控管作為微波源，將頻率為2.45GHz的微波能量轉(zhuǎn)換為直流電。此后Brown又對(duì)實(shí)驗(yàn)方法不斷改進(jìn)，如從喇叭天線、反射面天線到相控陣天線、從一般二極管到勢(shì)壘二極管，用鋁條構(gòu)造半波電偶極子和傳輸線等，射頻能量轉(zhuǎn)換為直流電的效率也不斷提高，他所演示的直流-直流轉(zhuǎn)換效率達(dá)到54%左右。

        從90年代起，由于無線通信頻率的擴(kuò)展，為避免對(duì)2.45GHz頻段通信潛在的干擾，美國(guó)宇航局傾向把5.8GHz的頻率用于無線供電，這兩個(gè)頻率點(diǎn)的大氣穿透性都很好，相應(yīng)元器件的轉(zhuǎn)換效率都很高。1998年5.8GHz印刷電偶極子整流天線陣轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了82%[9][10]。莫斯科大學(xué)以B.Л.Caввин、B.A.Baнкe為首的研究組也在無線供電與衛(wèi)星太陽能電站方面進(jìn)行了大量理論與實(shí)驗(yàn)研究，研制出了無線供電的關(guān)鍵器件—快回旋電子束波微波整流器，從1996年開始已將有關(guān)回旋波整流器的技術(shù)提供給日本京都大學(xué)的Mat-sumoto、Shinohara等人，計(jì)劃在“自由號(hào)”國(guó)際空間站的日本模塊上進(jìn)行試驗(yàn)2000年以后，國(guó)際上已經(jīng)掀起了對(duì)無線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用的熱潮，無線供電技術(shù)也越來越頻繁的在各大通信技術(shù)展、電源新技術(shù)展上露面，各大公司也紛紛推出自己的研究成果。2007年6月，麻省理工大學(xué)的物理學(xué)助理教授Marin Solijacic和他的研究團(tuán)隊(duì)公開做了一個(gè)演示(見圖1.2)，他們給一個(gè)直徑60厘米的線圈通電，點(diǎn)亮了大約2m之外連接在另一個(gè)線圈上的60瓦燈泡。演示裝置包括直徑為3英尺的匹配銅線圈，以及與電源相連的工作頻率在MHz范圍的傳輸線圈，接受線圈在非輻射性磁場(chǎng)內(nèi)部發(fā)生諧振，并以相同的頻率振蕩，然后有效地利用磁感應(yīng)來點(diǎn)亮燈泡[3][4]。此外他們還發(fā)現(xiàn)，即使兩個(gè)諧振線圈之間存在障礙物時(shí)，也能讓燈泡繼續(xù)發(fā)光。這項(xiàng)被命名為“WiTricity”的技術(shù)*是運(yùn)用了共振的原理，通過一個(gè)磁共振系統(tǒng)進(jìn)行電能傳輸。據(jù)Marin小組稱，至2008年他們已經(jīng)將傳輸效率提高到了90%。這意味著，該技術(shù)已經(jīng)具備了實(shí)用化的條件，他本人也因?yàn)檫@一發(fā)明獲得了麥克阿瑟基金會(huì)2008年的天才獎(jiǎng)。不過，該技術(shù)仍舊面臨著一些問題，使用的銅線圈非常笨重，足有0.6米高，如果要想實(shí)現(xiàn)整座房間內(nèi)的電器都能自動(dòng)充電，銅絲線圈的直徑預(yù)計(jì)將達(dá)2.1米。