無線電力技術有跡可循　非接觸式充電指日可待

直至九○年代後期，才開始出現非接觸式充電的產品應用，使用在手機上則是近幾年的事；Powercast在2007年消費性電子展(CES)中，以展示的無線電力傳輸技術獲得最佳潛在技術獎；Splashpower也於2007年的春季，開始販賣非接觸式的充電系統；蘋果公司針對旗下的iPod、iPhone等產品，於2007年2月申請有關非接觸式充電器的專利；NTT DoCoMo在2005年就嘗試研發具無線充電的手機；目前摩托羅拉(Motorola)手機廠也開始進行開發。  

最近，非接觸式充電技術受到研究者的青睞，仔細觀察後其實可以發現，是幾個條件風雲際會之後的成果，包括數位產品使用量已達到空前規模且繼續成長中；其次就是無線充電技術，在近日有了突破性進展。過去無線電力傳送的效率，僅有10%～20%的程度，到2006、2007年，效率已可實現到60%的水準，有效距離也有所進步。  

當前充電電池技術似乎已到極限，容量設計上很難再有新突破；即將登場的無線電力供給技術，依照傳送原理不同，主流的技術可以分為三大類別，分別是電磁誘導型、電波接收型、電磁場共鳴型。  

RFID應用源於電磁誘導  

電磁誘導技術源自1900年左右，因無線射頻識別(RFID)的興起喚醒了老技術重新回鍋，此技術在1960年代，主要是為了杜絕扒手而研發的無線識別技術，最後到了1990年代應用才整個發展開來。目前NTT DoCoMo已經將非接觸充電技術，導向商用化的階段，其產品開發仍須面臨以下幾點課題：

‧	電力供應力與效率
	就當前的無線電話來說，0.2瓦的非接觸充電技術即可應付；但手機卻須達2～3瓦以上的水準，效率至少也要有60%。依據電磁誘導原理來看，電力的效率問題與線圈材質及捲線方式息息相關。雖然線材直徑越大能減少發熱使電力損失較小，但手機現朝向輕薄短小邁進，因此線圈的面積與重量必須有所限制。為方便元件內藏的處理，廠商多採用較細的線材加上編帶狀的捲線方式，目前日商東光採用二十四條直徑0.08毫米銅線編束，形成一次線圈與二次線圈。

‧	ID認證
	特定的充電台及手機組合可避免他人冒用，並防止非認證機器或非同型產品進行充電；通常是兩端的控制IC自動交換ID位元資訊，而手法隨各家策略而不同，其訊號的調變方式可以是振幅調變或相位調變，ID位元可以有8位元、64位元、128位元。這將影響到認證的時間，且攸關安全問題。

‧	感度考量
	當電磁誘導發生磁束時，必須要馬上抑制磁束對手機無線電路的影響；另外手機進行充電時，手機無線電路的雜訊來源不能是交流電源的頻率，因此一般端末裝置的設計，乃是在二次線圈周圍做好屏蔽(Shield)處理。

‧	充電者與被充電者的位置
	進行充電時，充電台及端末裝置兩者位置的配合是一大學問，以技術層面來說，當然是一次線圈與二次線圈的中心軸兩者對齊時，電力的供給效率會最高。這對於線圈廠商來說，形成彼此競爭差異化的重要武器。明日香電子針對一次線圈磁束方向的控制手法，讓線圈即使偏離中心軸±5毫米，效率依然可維持60%；Splashpower則將線圈發生的磁束，平行於端末裝置的設置面。

電磁誘導技術期望在於不僅能擔任無線充電的機制，同時還能進行資料通信應用。目前Seiko Epson已實驗出96Mbit/s的資料通信暨非接觸充電系統，且已經有業者喊出480Mbit/s速度的終極目標。  

電波接收應用漸受矚目  

電波接收技術的源起也是在1900年代左右，與當時的礦石收音機基本原理相同。鍺(Germanium)收音機為半導體收音機的一種，也是這項技術的應用成果。目前此一技術已有實際的成果問世，美國匹次堡動物園(Pitsburgh Zoo)在2006年3月，就已進行溫度與溼度的感應端末試驗，這些端末裝置搭載了充電電池，可以用無線的方式使用900MHz的電波進行充電，送電距離與天線的安裝有關，在5～10公尺的距離內都可執行；此外，Powercast LLC的電波接收方案，就是使用電波接收的技術生產。同樣的，此技術面臨幾項課題必須深思：

‧	周圍電波的利用問題
	Powercast申請專利時，有提及電力汲取電路(Power Harvest Circuit)的迴路，此電路的接收並沒有使用到線圈，類似於沒有放大器的AM收音機；Powercast的做法並沒有利用共振電路來取出特定的傳送波，而是善用寬頻頻域如UHF頻帶、VHF頻帶、ISM頻帶及FM或AM等廠商可利用的頻帶電磁波。而整流用的二極體，通常都是採用蕭特基二極體(Schottky Diode)，讓順向電壓值達到最小。

‧	給電方式的考量
	直接給電通常是針對數十歐姆低阻抗的場合，涓滴式充電(Trickle Charging)多針對一萬歐姆高阻抗的場合，以Powercast公司而言其收穫率約50%。

‧	通訊距離與天線的關係
	從電力的傳送距離角度切入，使用無指向性天線通常為數10公分的距離；若採用指向性天線，將可實現超越10公尺的傳送距離。根據使用偶極天線(Dipole Antenna)的試作品觀察，其能夠達成15公尺的電力傳送。目前電波接收技術不僅受通訊業者關注，服飾業、醫療裝置產業等也都看好此技術。

電磁場共鳴讓距離不是問題  

就字面來說電磁場共鳴，乃是運用電磁波的共鳴方法進行，但並非運用電磁波或是電流，僅運用電場或是磁場；此技術目前還相當新穎，是由美國麻省理工學院物理系助理教授Martin Soljacic研究團隊研發，於2006年11月發表的電力供給技術。  

共鳴行為的基本原理，是利用具有相同振動頻率的兩個並列音叉，當一方的振動子振動時，而讓另一方也跟著搖動。以電場共鳴的場合來看，天線的介電率超越數十到一百，可使用介電損失較少的介電體。如二氧化鈦(TiO₂)介電率96、BaTi₄O₉介電率37、LiTaO₃介電率40等，都是好的材料選擇。  

以磁場的共鳴來說，通常是在迴路型天線的一端作成電容器的形狀，與迴路自身的電感形成LC共振器。Q值表示為共鳴的強度，若Q值到達1,000將能夠實現。因此電磁誘導型無法將高電力傳送到數公尺距離遠的情境，利用共鳴方法將可能做到。電磁場共鳴的無線電力的供給技術，送電距離可以達到3～4公尺的距離，提供的電力可以高達數千瓦的大電力輸出。目前已有應用在電車的導電弓架(Pantagraph)上。另外在振動頻率電磁波的波長(λ)，與天線之間的距離(D)、天線大小的半徑(γ)間，維持一定的關係的比值也很重要，這個比值能利用振動模式或天線介電率，在電場共鳴的場合進行變更；若是在磁場的場合，則是利用變化L、C的元件數值進行變更。為了產生近接場的共鳴現象，波長要比天線的距離要大，不能是天線的半徑比天線的距離過小。  

此特徵的好處是共鳴效果與系統大小沒有依附關係，天線做大能傳送的距離將越遠，即使逆向應用於MEMS微機電元件間的電力處理是可行的。但缺點在於相同的送電距離，欲自由變更天線大小進而變更振動頻率則很難達成；例如：為了確保3公尺的送電距離，則必須使用直徑60公分左右的天線，才能善用10MHz～數十MHz的頻率；若欲傳送30公尺的遠距離，所需天線將可能超過6公尺。  

電場共鳴或磁場共鳴的應用是可以區分的，電場共鳴的傳送距離較短，熱能也較小，適合應用於屏蔽的框體內或MEMS間等小規模產品上；而磁場共鳴不太會受到介電體的靜電量所影響，電波放射也很少，傾向應用在數十公分到數公尺生活環境送電。要達成無線能量傳輸尚有其他方式，如將電轉換成雷射光束，然後儲存在太陽電池上，這就是所謂電力集束(Power Beaming)。期待有朝一日，充電台將如同無線上網般變成眾所周知的常識，自在隨意的充電將是無所不在，但若欲踏入此領域，在專利上必須格外注意。