太赫兹无线输电技术展望

引言：在未来的6G时代，将会出现这样的场景。移动通信基站(太赫兹基站)除了提供通信接入服务外，还会提供无线充电功能。

2G时代的手机，功能较为简单，耗电量不大。数百毫安时的电池，就足以支持几天的使用。甚至有个别厂商，宣传可以充一次电使用半个月。

飞利浦手机，功能机时代以省电著称

进入到智能手机，随着手机功能的增加，对耗电量的需求，好似那“脱缰的二哈”；而电池技术的提升，却宛如“瘸腿的京巴”。即使是相对省电的苹果手机，其电池也占据了相当大的一部分的体积和重量。

尽管现在手机电池容量，已经到了动辄四五千毫安时，但远不能跟上耗电量的增加。现在中度使用时，需要一天一充；重度使用，需要一天两充。以至于移动电源，成为了很多重度手机使用者的标配。

IPHONE XR拆机照

现阶段，锂电池的电池容量，已经很难再有大幅度提升了。而锂电池的接班人，目前还遥遥无期。而且锂电池本身，如果在设计、制造环节出现失误，很可能就变成炸弹(例如三星galaxy note7，由于锂电池设计过程中一味增大容量，忽略了安全性，出现了多起手机爆炸事件，最终被迫召回)。即便是在正常使用过程中，也有很多注意事项。为了安全起见，国内外各家航空公司，对于锂电池上飞机，都有着严格限制。

三星手机 galaxy note7

除了增加电池容量，是否还有别的解决方法呢。无线输电技术，提供了另一种思路。

无线输电技术，现在一般认为最开始由尼古拉-特斯拉在19世纪末发明的，是根据电磁感应原理而产生。目前能够实现无线输电有四种方式：电磁感应方式、电磁共振方式、电磁耦合方式和微波谐振方式。

目前，已经有许多手机厂家，采用了无线输电技术，用于手机充电。据不完全统计，目前市场上支持无线充电的手机，有两百多款。这一技术，刚刚应用在手机上时，被宣传为黑科技。实际上，上世纪五、六十年代风靡一时的矿石收音机，早就用上了这一技术(不小心暴露了作者的年龄，其实我本人也没玩过，老师里面有人玩过)。而且，现在的手机无线充电，必须在很近的距离才能使用。这一点，尚且不如过去的矿石收音机(矿石收音机只要在广播信号覆盖到的区域，就能使用，不需要外接电源和电池，能量来源全靠广播信号，当然收听效果也就呵呵呵了)。

矿石收音机

2018年，美国华盛顿大学，演示了一种无线激光输电方式。利用激光，作为能量传播媒介，实现了4.3米距离，2W的功率传输，接近于手机连接电脑的功率了。无线激光输电所使用的技术，都已经很成熟了，其能量接受装置类似于太阳能电池板。

无线激光输电技术应用在手机充电领域，也有其缺点。首先是安全性，激光功率达到瓦级，已经会对人眼造成伤害了，解决方法是增加安全保护措施，以及用多束低功率激光代替单束大功率激光。其次是覆盖性，激光的指向性很强，只能照射到小区域，手机必须放在这一区域内才能充电。如果希望激光照射方向可以自动调节，势必导致成本的提升。

无线激光充电试验场景

太赫兹波，相比激光，不存在上述的两个缺陷。只要不超过限定的功率范围，对人体是没有伤害的，人眼对这一频段，也不敏感。太赫兹波长更长，覆盖范围可以比激光更大，带来更大的充电范围。另外太赫兹波的穿透性更好，手机放在衣服口袋或是皮包里面，也可以充电。

因此，可以借鉴这一思路，将频率降低至太赫兹，设计太赫兹无线输电方案。在发射端，将电能转化成太赫兹波发射出去；在接收端，将太赫兹波转换成电能。

相比激光工程领域，太赫兹领域最大的缺陷就是工程化基础非常薄弱。太赫兹是一个被忽略的频段，长期以来，未能得到大规模应用。不过随着近年来太赫兹安检、太赫兹通信、太赫兹医疗等领域的发展，太赫兹上下游产业链正在逐步形成中，各项短板正在逐步补齐。特别是太赫兹通信，将成为6G移动通信的重要组成部分。这一应用前景，势必推动国内外相关太赫兹技术的发展。

6G移动通信标志

石墨烯材料是近年来的研究热门，在太赫兹领域也有大量研究，特别是用于太赫兹波调制，太赫兹源和太赫兹波检测方面。石墨烯除了用于产生太赫兹波，本身在宽电磁波段内(可见光、红外、太赫兹)，也具有良好的光电性能，可以用实现太赫兹波与电能的相互转换。

石墨烯材料本身具备超出钢铁数十倍的强度和极佳的散热性(这方面的性能远远优于目前光伏电池上使用的硅材料)，因此石墨烯充电模块可以设计成为手机外壳。实际上，石墨烯材料现在在手机领域已经得到应用，例如华为Mate20 X (5G)手机就使用了石墨烯膜用于散热。

华为Mate20 X (5G)手机使用了石墨烯

移动通信进入5G时代后，相较于4G，频段不断走高，频率越高、波长越短、衍射能力也就越小，相比4G基站1-3公里的覆盖半径，5G基站的覆盖半径仅有100-300米。因此，需要增加宏基站数量来提升信号覆盖质量，也需要在宏基站覆盖的盲点地区和热点地区用小基站补盲、补热，提高覆盖能力，形成一张全面覆盖的整网。

未来6G时代，随着频率提升至太赫兹(预计开始会在200G到300G，后续会进一步提升)，基站覆盖半径将进一步下降。室外可能只能覆盖数十米(视距内不能有遮挡)，室内估计每个房间都要安装(太赫兹波不具备衍射能力，只能以直线传播，而且对普通墙壁穿透性极差)。

4G与5G基站数量示意图

基站与手机间距离的拉近，降低了通过基站对手机无线充电的难度，配合现有的波束赋形与波束控制技术(相当于雷达中的相控阵技术，在4G中开始使用，5G中得到强化)，可以实现能量的精准投送。

波束赋形与控制技术

除了手机充电领域，太赫兹无线输电技术还有很多潜在应用方向，例如无人机领域。以大疆为代表的微型电动无人机，由于电池容量限制，续航时间一般在30分钟左右，导致了很多应用无法开展。如果具备了空中无线输电功能(相当于空中加油能力)，可以大幅度提升续航能力，甚至实现无限续航能力(为了保证能量有效聚焦，工作频率预计在500G以上)。这将大幅度拓展这一类无人机的应用范围，同时也势必带来无人机厂商的新一轮洗牌。

大疆精灵Phantom 4 Pro V2.0无人机

无线输电技术诞生至今已有一百多年，从目前的发展与应用的情况来看，微波与光波，都不是很好的能量传输媒介(微波频率低，传输方向性差，实现窄波束需要把天线尺寸做的很大；光波频率高，空气中传输损耗大，而且高能激光具有一定危险性)，太赫兹波可以用较小的天线尺寸实现窄波束，空气中传输损耗小于光波，且安全性也较好。因此，有望打破这一僵局，突破无线输电技术发展应用的瓶颈。