电磁波核心原理：本来就携带能量，收集就能用

当我们出门在外，手机电量变红找不到充电线的时候;当我们家里一堆智能门锁、温湿度传感器、蓝牙耳机频繁要换电池充电的时候;当我们植入体内的医疗传感器需要更换电池要再做一次手术的时候，你有没有想过：能不能不用电线、不用充电宝，直接通过空中的电磁波给设备供电?其实这个想法早就不是科幻了——利用射频电磁波为便携式设备供电，也就是我们常说的射频无线电能传输技术，已经在很多场景落地，正慢慢改变我们给便携设备供电的方式。今天我们就从原理、技术现状到实际应用，把这个技术讲清楚，看看它什么时候能彻底帮我们摆脱充电线的束缚。

一、核心原理：电磁波本来就携带能量，收集就能用

很多人觉得无线充电是新技术，其实电磁波从诞生开始就同时携带了信息和能量：我们手机接收到的基站信号，本身就是射频电磁波，不仅能带通话的信号，本身也有能量，只是能量很弱而已。利用射频电磁波供电，核心原理就是电磁感应辐射-能量收集整流，本质分三个步骤：

第一步，发射端把电能转换成射频电磁波，通过天线发射到空中。和我们用基站发射通信信号原理差不多，只不过供电的射频电磁波会更集中能量，有些场景是专门的发射端，有些场景是收集环境里已经存在的射频能量，比如电视塔、基站的信号。

第二步，接收端接收端用天线捕捉空中的射频电磁波，把电磁波转换成交变的交流电。天线的尺寸和接收效率对应发射的频率：一般来说频率越低，波长越长，天线越大，接收距离越远;频率越高，波长越短，天线可以做很小，适合便携式设备，现在常用的频段是ISM开放频段，比如13.56MHz、433MHz、915MHz、2.4GHz这些，不用申请频率授权，开发起来方便。

第三步，把接收到的射频交流电转换成稳定的直流电，给便携式设备的电池或者电路供电。这个步骤叫整流，用专门的整流电路，把交流变成直流，再经过DC-DC升压稳压，就能输出适合便携设备用的3.3V或者5V电压了。这个步骤的核心是整流效率——因为环境里射频能量本来就很弱，往往只有微瓦到毫瓦级别，整流电路必须能在极低输入功率下还保持高整流效率，才能把收集到的能量用起来。

从能量大小来分，现在射频供能主要分两种模式：一种是专用主动供电，就是有专门的射频发射端，定向给几十厘米到几米范围内的便携设备供电，功率能到毫瓦甚至瓦级，可以直接给手机、蓝牙耳机充电;另一种是环境能量收集，就是收集环境里已经存在的射频能量，比如基站、WiFi路由器、广播电视信号发射出来的电磁波，不需要专门发射端，功率一般是微瓦到毫瓦级，适合给低功耗的便携传感器、智能穿戴设备供电。

二、射频供能对比其他无线充电，优势在哪里?

现在大家熟悉的无线充电，大多是手机的磁感应无线充电，需要放在充电板上，距离不能超过几厘米，而射频供能最大的优势就是远距离、一对多、不受障碍物影响(大部分情况)，和其他无线供电方式比，特点非常明显：

比磁感应/磁共振无线充电距离远得多：磁感应充电距离一般不到1厘米，必须贴在充电板上，磁共振充电最多也就几十厘米，还是要靠近发射端，而射频供电可以做到几米甚至几十米的供电距离，便携设备只要在房间里，就能随时充电，不用特意放在充电板上，方便很多。

能同时给多个设备供电：射频电磁波是弥漫在空间里的，只要在覆盖范围内，不管多少个便携设备，都能同时收集能量，不用每个设备都对准充电位置，一个发射端就能给房间里的耳机、手环、传感器、遥控器所有设备同时供电，这对多设备的智能家居场景太方便了。

天线可以做的很小，适合小型便携设备：因为射频频率高，波长短，接收天线可以做的很小，比如2.4GHz的天线，做在PCB上只要几厘米，甚至能做进蓝牙耳机、智能指环这种超小的便携设备里，而低频磁感应线圈，功率稍微大一点就要做很大，不适合小型便携设备。

不需要线路改造，部署方便：只要装一个射频发射端，就能覆盖整个房间，不用到处装充电板，墙面地面不用开槽布线，旧房子改造也能直接用，部署成本很低。

当然射频供能也有缺点，最核心的就是能量传输效率随距离增加下降非常快。根据电磁波的路径损耗公式，自由空间里路径损耗和距离的平方成正比，频率越高损耗越大，距离发射端1米的时候损耗可能是几十dB，10米损耗就增加一百多dB，接收到的功率就差了好几个数量级，所以远距离大功率供电目前还做不到，给手机这种几瓦功率的设备供电，只能在几米范围内，这是目前射频供能最大的局限。

三、关键技术瓶颈：现在要解决哪些问题?

射频供能要大规模普及，目前还有几个关键技术需要突破，也是现在学术界和产业界研究的重点：

1 高效率整流：低输入功率下也要有高整流效率

环境里的射频功率密度一般只有1μW/cm²到1mW/cm²，接收天线输出的功率往往不到1mW，怎么在这么低的输入功率下保持高整流效率?传统的二极管整流，整流管的导通压降就有0.7V，输入电压不到0.7V的时候根本不导通，整流效率几乎为零，根本用不了。

现在的解决方法主要有几个：一是用肖特基二极管或者MOS管做同步整流，肖特基导通压低，适合低电压整流，同步整流能进一步降低导通损耗，在输入功率1mW的时候能做到50%以上的整流效率，比普通二极管高很多;二是用谐振整流电路，通过电感电容谐振把输入电压抬升，提高低输入功率下的整流效率;还有现在比较火的CMOS集成整流电路，把整流和稳压做在一块芯片上，体积小，成本低，适合批量用在便携设备上，现在已经有不少成熟的射频能量收集芯片，比如TI的bq25570，就能收集微瓦级的射频能量，输出稳定的3.3V。

2 高效收发天线：提高能量收集效率

接收天线的效率直接决定了能收集到多少能量，对于便携设备来说，天线既要小，又要效率高，还要适配不同的频段，现在常用的设计是宽带多频天线，能同时收集多个频段的射频能量，比如同时收集900MHz基站、2.4GHz WiFi、5G信号的能量，总功率比单频高很多，适合环境能量收集的场景。对于专用发射的场景，发射端用波束成形天线阵列，能把射频能量定向聚焦到接收设备的位置，减少能量浪费，提高传输效率，比全向发射效率高好几倍，同样的发射功率，接收端能多好几倍的功率。

3 安全问题：大功率射频对人体有没有害?

这是大家最关心的问题：用射频电磁波供电，发射功率大了，对人体健康有没有影响?其实现在国际上早就有严格的安全标准，比如IEEE和我国的安全标准规定，人体暴露在射频电磁波里的比吸收率(SAR)不能超过0.08W/kg到2W/kg，只要符合这个标准，就是安全的。

现在的射频供能系统设计的时候，都会严格控制发射功率，并且用波束成形，把能量集中在设备位置，避开人体活动区域，比如家庭用的射频供电发射端，总发射功率一般不到1W，比手机基站的发射功率还低，整个房间里的功率密度都在安全范围以内，对人体没有危害。如果是给更高功率的设备供电，会把发射端放在专门的区域，比如办公桌的充电区，人离开的时候才大功率发射，或者用人体感应，有人靠近就降低功率，保证安全。

4 兼容性：射频供能会不会干扰通信?

射频供能用的也是电磁波，会不会干扰手机WiFi、蓝牙这些通信信号?其实现在的设计主要两种解决方式：一种是用不常用的ISM频段，或者和通信频段错开，比如用915MHz频段，和国内的通信频段不重叠，不会干扰;另一种是用能量信息同传，射频信号同时带能量和信息，和通信系统共存，现在已经有不少研究，能做到能量收集和通信不冲突，甚至互相辅助。

四、现在已经有哪些实际应用?离我们并不远

其实射频供能已经落地不少应用了，很多我们身边的设备已经在用，只是大家没注意到：

1 低功耗便携智能设备：传感器和穿戴设备

现在很多智能家居的低功耗便携传感器，比如温湿度传感器、人体存在传感器、门窗传感器，都是电池供电，几年就要换一次电池，很麻烦，用射频能量收集，一个发射端覆盖整个家里，就能给所有传感器永久供电，不用换电池。还有智能手环、智能戒指这些穿戴设备，功耗很低，晚上放在房间里就能收集射频能量充电，不用摘下来放在充电板上，非常方便，现在已经有不少创业公司做出了原型产品，很快就能量产。

2 植入式医疗设备：不用二次手术换电池

植入体内的医疗设备，比如心脏起搏器、血糖传感器、神经刺激器，都是电池供电，电池用完了就要二次手术更换，病人非常痛苦，用体外的射频发射端就能给体内的植入设备持续供电，或者给电池充电，不用二次手术，现在已经有不少研究进入临床阶段，未来会给很多病人带来方便。而且植入设备很小，射频接收天线能做的很小，适合植入，功率要求也不高，刚好适合射频供能。

3 工业便携设备：无线传感器节点

工业现场有大量的便携无线传感器，监测温度、压力、振动，布线不方便，换电池也麻烦，用射频供能，一个发射端覆盖整个车间，就能给所有传感器持续供电，降低维护成本，现在很多工业物联网已经开始试用了，稳定性不错。

4 消费电子：小功率便携设备随时充电

现在已经有公司推出了桌面射频无线充电板，能给放在桌子上的耳机、手环、智能笔同时充电，不用挨个插线，也不用对准位置，放在桌子上就能充，非常方便，还有的公司做了房间级的射频充电，能给几米范围内的手机充电，虽然现在功率还不够，只能补电，没法充满，但未来功率上去了，就能真正摆脱充电线。

五、未来发展：什么时候能普及到日常生活?

现在射频供能技术已经越来越成熟，成本也越来越低，未来五年到十年，会慢慢从低功耗小设备扩展到大功率消费电子，预计会先在这些场景普及：首先是智能家居的低功耗便携传感器，先换掉电池，实现免维护;然后是智能穿戴设备，实现随身随时补电，不用天天充电;最后是手机、平板这种中等功率的便携设备，实现房间内随时充电，彻底摆脱充电线。

当然现在还有很多挑战，比如大功率远距离传输效率还不够高，成本还比较高，安全标准还需要进一步完善，但这些问题都是发展中的问题，随着天线技术、整流芯片技术的进步，都会慢慢解决。未来我们的便携设备，不需要找充电线，不需要放在充电板上，只要在房间里，就能一直有电，这种场景看起来遥远，其实已经离我们很近了。

利用射频电磁波给便携式设备供电，本质是把电磁波从“传递信息”延伸到“传递能量”，是无线供电领域一个非常有前景的方向，它解决了传统有线充电和近距离无线充电的痛点，给便携设备供电带来了全新的可能性——从不需要换电池的智能家居传感器，到不用二次手术的植入医疗设备，再到随时充电的手机耳机，这个技术能改变很多行业的产品形态。

目前它虽然还存在传输效率、功率的局限，但技术发展非常快，越来越多的企业和科研机构投入研发，相信用不了多久，我们就能用上真正方便的射频无线供电，彻底摆脱充电线和换电池的麻烦，让所有便携设备真正实现“无绳化”，给我们的生活带来更多便利。