神似魔術的隔空充電 是怎樣做到的?
2021年02月01日10:16

  這些天,大家可能被某國產旗艦手機品牌發佈的“隔空充電”技術刷屏了。在廣告宣傳片中,只要你拿著手機進入自家客廳,手機就和一台炫酷的隔空充電樁感應,自動開始充電。有的科幻粉絲還翻出了劉慈欣的《三體》中的相關情節,驚呼2021年第一個月還沒過完,科幻已經在變成可以使用的科技了。

  隔空充電,這個技術看起來非常酷炫,實際上如果拆解一下,它不過是由幾個已有的技術——無線充電、波束成型和UWB定位組合起來的效果。

  首先來看無線充電。它的原理,是製造一個小小的電磁場,通過電磁感應來傳輸能量,我們日常使用的電磁爐就是這個原理。

 無線充電原理示意圖 | 作者供圖
 無線充電原理示意圖 | 作者供圖

  那麼隔空充電呢,因為距離遠了,就不能製造一個磁場把充電設備和手機同時“圈”進去,只能改用電磁波來傳輸能量。說白了就是通過天線將電磁波發送給手機,相當於我們日常使用的WiFi和移動通信的“能量加強版”。

  使用電磁波發射能量,發射源和接收方距離可以遠一點,不過強度也會隨著傳播距離和範圍的增加快速衰減,但這一款隔空充電器的應用場景僅僅是室內,距離頂多幾米之內,能量的衰減並不嚴重。

  雖然單純的能量輸送沒有什麼難度,但是電磁波散發出來之後,可不會在空氣中規規矩矩朝著手機的方向前進,而是會像郊遊時老師沒有看好的幼兒園小朋友,到處亂跑,放飛自我。那怎麼辦呢?這就需要一位嚴厲的“老師”,管住這幫熊孩子,讓他們乖乖地按照既定遊覽路線走,最終抵達終點——我們的手機。這位老師呢,就是大規模陣列天線,用來管束熊孩子電磁波的手段,叫波束成形。

  波束成形技術,之前主要被用於通信:通過多個天線發出信號,就可以利用它們波陣面的差異做到改變波束的方向。這個聽起來有些難懂,所以這裏放張圖幫助大家理解。

波束成形技術示意圖 | Smita Banerjee
波束成形技術示意圖 | Smita Banerjee

  上面的黃線就是波陣面,就是每時每刻,把電磁波信號在空氣中達到的各點位置集合起來,所組成的平面或曲面。通過讓多個天線同時發出信號,讓波陣面互相影響,就可以讓它們乖乖地朝著一個相對精確的方向前進。所以,這款隔空充電樁廣告中聲稱自己內置了144個天線,這並不是為了炫技,而是通過足夠多的天線,對電磁信號進行精確引導,力爭做到在室內環境中,沒有電磁波夠不到的死角。

  接下來,就是整個“隔空充電”中最關鍵的一步了,讓攜帶電能的電磁波找到“終點”,也就是要充電的手機。在通信領域,找到用戶終端的方法,就是用電磁波把所有方向掃瞄一遍,在某個方向收到終端應答,就算找到了終端位置。

  但是,給電子設備充電卻不能這麼做,畢竟電磁波的能量比較高,不能在隨便亂掃瞄中浪費,所以必須先用UWB技術找到手機的位置,再用波束成型技術發射能量電磁波。

UWB定位技術:通過多個信號發射源,定位終端位置| Abdulrahman Alarifi
UWB定位技術:通過多個信號發射源,定位終端位置| Abdulrahman Alarifi

  什麼是UWB定位技術呢?在通訊定位領域,就是通過計算信號從發射到接收的時間,得出終端和信號發射源的直線距離,再通過獲取多個發射源和終端之間的直線距離,來計算終端的具體位置。

 搭載了UWB定位芯片的自動清潔機器人 | Brain Corp
 搭載了UWB定位芯片的自動清潔機器人 | Brain Corp

  UWB雖然定位範圍較小,但是由於使用了高頻脈衝信號,所以精度很高,可以精確到釐米級。這個特點,讓UWB技術在物聯網自動化生產線、車載雷達、化工廠危險源檢測、機器人運動跟蹤等領域大顯身手,近年來也被集成到智能手機中。隔空充電樁,就是利用內置的幾個UWB信號天線,發射脈衝信號,“呼喚”手機中的UWB芯片——“聽到了請回答”!在得到手機的回應後,充電樁就指揮信號發射電線,向手機所在位置“密集發射”高能量電磁信號,從而開始充電。

  來源:果壳

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