无线充电原理(无线充电原理图)

此前，小米和摩托罗拉相继发布了隔空充电技术。我们可以真正摆脱充电线的制约了吗？使用起来会有辐射吗？

“我想知道它从哪儿充电。”

“充……电？”护士生涩地重复着这个她显然第一次听到的词。

“就是Charge、Recharge。”罗辑提示说，护士仍然迷惑地摇摇头。

“不是充电式的……那里面的电池用完了怎么办呢？”

“电池？”

“就是Battery呀，你们现在没有电池了吗？”看到护士又摇头，罗辑说，“那这杯子里的电从哪儿来？”

“电？到处都有电啊。”护士很不以为然地说。

“杯子里的电用不完？”

“用不完。”护士点点头说。

“永远用不完？”

“永远用不完，电怎么会用完呢。

——《三体2黑暗森林》选段

撰文/记者 赵天宇 编辑/刘昭

新媒体编辑/吕冰心

小说《三体》当中，危机纪元205年，主角罗辑从冬眠中苏醒，惊奇地发现所有电子产品都拥有了无限电能，后来才弄清是隔空充电和核电技术的功劳。

而如今，手机隔空充电技术有望正式商用，科幻小说的内容场景正逐渐变为现实。设备只要处于具备隔空充电条件的环境中，便悄无声息地自动充电，电量“永远用不完”也将成为现实。

但任何新技术的开端都不会一帆风顺，隔空充电商用背后，是理想与现实之间仍需跨越的“鸿沟”。

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「隔空充电」并不科幻

隔空充电技术其实并没有那么科幻，因为它的本质还是无线充电。

而无线充电技术也算不上什么黑科技，早在一百多年前，美国电磁学家特斯拉就发现，在不用任何导线的情况之下，就可以点亮一颗灯泡，这就是无线充电技术的原型。

在电子产品尚未普及的十九世纪，特斯拉的发明并不具有任何商业价值和产业效应。但如今时间已经来到了2021年，包括手机、汽车在内，无线充电技术已经普及应用，按照技术原理可以分为三大类即电磁感应式、电磁共振式和无线电波式。

▲无线充电技术原理最早被证实可行是在2007年麻省理工学院的实验室里，研究员利用铜制线圈作为电磁共振器，实现了无线电力传导。但直到10年后，苹果才将技术大规模商用，可见无线充电技术实现商用量产，其难度之大。图为电磁感应式无线充电。

电磁感应式，其实就是我们常见的无线充电功能，尤其是最近三四年的时间里，无线充电几乎成为每个手机厂商必备的一项能力。这种原理并不复杂：电流通过线圈，线圈产生磁场，磁场对附近线圈产生感应电动势从而产生电流。

这种技术原理简单，成本较低，转化率通常在70%以上，所以现在已经得到了广泛普及。但电磁感应充电缺点也挺明显，它要求手机必须要和充电板紧密贴合，传输距离也比较短，而金属感应接触还会产生热量造成发热现象。

▲电磁共振式无线充电技术比电磁感应式充电更先进

于是，比电磁感应式充电更先进的电磁共振式无线充电技术诞生了。他的原理是发送端遇到共振频率相同的接收端，由共振效应进行电能传输。相比电磁感应技术，电磁共振技术显然更聪明了，它无需对齐位置充电，并能在更大的范围内（允许10cm左右）实现能量传递，但缺点是充电效率较低，并且距离越远，传输功率越大，损耗也就越大。

实际上，无论是电磁感应还是电磁共振式，两种无线充电技术，本质上都并非真正的“无线”，仍然需要设备与充电底座保持一定距离。这让可以摆脱距离限制的无线射频技术，有了后来居上的可能。

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从「天女散花」到「定向送达」

1月29日，没落的手机巨头摩托罗拉发布了一套隔空充电的解决方案，根据演示视频来看，把两台motorola edge手机分别放在距离充电发射器1米与80厘米处，手机便可以自动开始充电。

但这样看来，似乎小米的隔空充电技术“更加灵活”——1月29日当天，小米同样发布了自己的隔空充电技术。作为对比，小米隔空充电技术可以实现数米半径内+单设备5瓦远距离充电，同时还支持多设备各自分配5瓦同时充电，甚至异物遮挡也不降低充电效率。

科普达人、通信专业教师张弛（奥卡姆剃刀）表示，这种全新的隔空充电技术，业界叫做无线电波式，是无线射频技术的一种延伸。他通过发射装置的天线辐射无线电波，接收装置接收无线电波上的承载能量。

从原理上讲，这其实与我们日常生活当中常用的遥控器原理有一些类似。但与遥控器不同的是，从已知的资料上来看，小米隔空充电传递的能量，并不是遥控器上的红外线，而是以毫米波极窄波束的形式传递给手机。

听到毫米波是不是很眼熟？没错，这就是5G通信最钟爱的毫米波，它具有频段高、干扰源少的特点，所以传播稳定可靠。

除了应用毫米波雷达以外，在信号发射和接收端，小米自研的隔空充电桩内置了5个相位干涉天线，可以精准探测手机位置，144根发射天线，构成了相位控制阵列将毫米波发射。

在接收端，手机内置了14根天线，可以把隔空发射的毫米波信号，通过整流电路转化为电能，最终达到隔空充电的效果。

▲2017 年的国际消费类电子产品展览会（CES）上，美国公司Energous 展示了隔空充电技术 WattUp，通过特定的内置芯片，可实现远距离隔空给多台设备充电。

“其实非常简单，就是把电灯泡变成了手电筒，把向四处发散的能量，集中在一个方向上。这样天女散花变成了定向送达，接收效率自然就会大大提升了。”张弛介绍到。

其实隔空充电技术在国外早有布局：早在2012年，以色列wi-charge公司就研发了隔空充电产品，只不过是利用红外线作为能量媒介；2017 年的国际消费类电子产品展览会（CES）上，美国公司Energous 展示了隔空充电技术 WattUp，通过特定的内置芯片，可实现远距离隔空给多台设备充电。

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辐射？不能够的

在无线充电、隔空充电技术的发展过程中，不乏许多关于该技术的质疑声，大部分声音和讨论，集中在是否对人体健康产生影响上，而这种影响因素正是辐射。

无论哪种方法的隔空充电（无线充电），它的技术基础都离不开电磁波，电磁波会产生辐射，频率越高、能量越大、相对应的辐射也就越强。对人体而言，过量吸收电磁波，的确会促使发生原子和分子电离，破坏原有的化学键，导致细胞或器官受到损害。

所以当你每天穿梭在144根天线发射的射频矩阵中时，真的会被辐射所影响吗？

对此张弛表示，讨论辐射对人体的影响是不能忽视辐射量的，就目前小米发布的解决方案来看，充电的功率只有5W，还不如一个电灯泡功率高，对人体的影响可以忽略不计。

辐射标准与空间面积也有关系，根据国际非电离性辐射委员会制定的安全上限，人体承受的安全辐射范围为10w/平方米。按照一般家庭住房面积90平米计算，普通居民家中可以承受的辐射功率，最大为900w左右。但隔空充电的充电桩，根据推算最高发射功率只有25w，所以依然是安全的。

至于毫米波辐射，目前没有任何一项实验数据表明，毫米波会带来辐射，或者说毫米波的辐射会给人体健康带来怎样的负面影响。一些实验室数据表明，人体持续8小时在60 GHz 毫米波的辐射影响下，皮肤温度也仅仅上升了0.1-0.5度，与辐射受损相差甚远。

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「技术」和「成本」仍待完善

无线电波式充电技术，第一次真正摆脱了线缆和距离的束缚，做到了“真无线”，是未来最有前途的充电方式。但隔空充电技术在充电功率、转化率、技术和成本等许多方面仍待完善。如果解决不了这些问题，真正大规模商用落地，依然阻力重重。

充电效率和转化率方面的问题，张弛表示，因为无线电波能量散布在整个空中，距离发射源越远，单位面积所能获得的能量就越低，衰减速度与距离的平方成正比，也就是说绝大部分能量都浪费在空中了，转化效率非常低。

这也就不难解释，为何在百瓦快充技术当道的当下，隔空充电功率只有5W，相当于数年前5V1A的慢充水平。

▲隔空充电技术在汽车行业也有所应用

技术方面，北京理工大学计算机学院网络攻防对抗技术研究所所长闫怀志认为，无线充电涉及的电能信号无线发射、高频转换、耦合线圈设计、系统协同控制、电磁屏蔽以及电磁干扰等诸多技术都不成熟。电磁屏蔽、功率不足、频率不稳等诸多因素，都会对使用效果产生致命影响。

至于公众最关心的成本方面，小米目前采用的144根天线的相控阵技术，其实是一种军用技术，并未真正转化为民用，成本十分高昂。更不要说这其中还有充电桩的价格，必然带动手机和零部件价格的整体提升。

试想一下，为5W的充电多买单几千元，普通消费者能接受吗？

总而言之，就像当年的有线电话被无线电话替代一样，无线充电将替代有线充电，或许也是未来科技发展的必然方向之一，而基于用户的体验不断进行技术创新，才能真正化繁为简，不断地成熟和普及。

出品：科普中央厨房

监制：北京科技报 | 科学加客户端

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