Широкополосная диэлектрическая резонаторная антенна с круговой поляризацией и высоким усилением для микроволновой беспроводной передачи энергии

Передача энергии по воздуху

Представьте дом, заполненный крошечными датчиками, носимыми устройствами или даже небольшими дронами, которым никогда не нужно подключаться к сети или заменять батареи. Беспроводная передача энергии стремится воплотить это в реальность, посылая энергию по воздуху так же, как Wi‑Fi передаёт данные. В этой работе представлен новый компактный тип антенны, который может направлять микроволновую энергию дальше, эффективнее и с меньшей зависимостью от ориентации принимающего устройства в пространстве.

Почему направленная передача энергии сложна

Посылать полезные уровни мощности на расстояние сложнее, чем передавать данные. Энергия быстро рассеивается, поэтому передающая антенна должна концентрировать её в узком луче с высоким «усилением». В то же время телефоны, датчики и летающие устройства редко остаются точно выровненными по отношению к передатчику. Если электрическое поле волны ориентировано в одном фиксированном направлении (линейная поляризация), любое наклонение или вращение приёмника может резко снизить принимаемую мощность. Круговая поляризация, при которой поле как бы вращается по мере распространения волны, решает эту проблему, обеспечивая более стабильную подачу энергии независимо от ориентации устройства, но создание антенн, одновременно сильно кругополяризованных и широкополосных — работающих эффективно в широком диапазоне частот — остаётся инженерной задачей.

Новая форма для улучшенных лучей

Чтобы справиться с этой задачей, авторы разработали новый трёхмерный излучатель из недорогого пластика, часто используемого в 3D‑печати. Вместо простой платформы сердечник антенны напоминает чашеобразный конус, установленный на уплощённом кольце. Тщательная подгонка высоты конуса и размеров кольца обеспечивает поддержание нескольких резонансных распределений электромагнитного поля, которые сливаются в единую непрерывную рабочую полосу. Это значит, что антенна остаётся эффективной в широком диапазоне частот, центрированном около 5,8 гигагерца — стандартной промышленной, научной и медицинской полосы, часто используемой в экспериментах по беспроводной передаче энергии. Моделирование показывает, что увеличение высоты этой структуры запускает высшие по порядку полевые моды, которые существенно усиливают пучность луча без потери полосы пропускания.

Умная подача энергии снизу

Работа антенны зависит не меньше от способа её питания, чем от видимой формы. Здесь исследователи вырезают два перекрывающихся эллиптических выреза и небольшие круглые выемки в металлическом слое под 3D‑печатным конусом и кольцом. Эти отверстия действуют как точно настроенные клапаны, разделяющие и задерживающие токи таким образом, чтобы поля начали вращаться, создавая круговую поляризацию не в одной узкой точке, а на широком участке частот. Питающая линия, подводящая энергию к этим щелям, тоже сформирована в виде «ключа» из прямоугольников и кругов, так что входная энергия согласуется с естественным импедансом антенны, уменьшая отражения, которые в противном случае расходовали бы мощность. Две небольшие наклонные дырки внутри пластикового конуса дополнительно тонко настраивают характер вращения полей, расширяя диапазон частот, где круговое движение остаётся сильным.

Очистка луча

Ранние версии конструкции давали нежелательные боковые и задние лепестки — направления, в которых энергия утекала вместо того чтобы идти к назначенному приёмнику. Чтобы исправить это, команда добавила два связанных круглых выреза в заземляющей плоскости, чтобы изменить распределение токов под антенной и в значительной мере уничтожить боковые лепестки. Затем они разместили простую металлическую пластину в качестве отражателя позади всей конструкции на определённом расстоянии. Этот отражатель гасит большую часть обратного излучения и направляет больше энергии в передний луч. В результате получилась компактная одноэлементная антенна с сильным, хорошо направленным главным лепестком, отношением «перед‑зада» более 15 децибел и пиковым усилением около 11,1 децибела по сравнению со стандартым кругополяризованным источником — показатели, сопоставимые или превосходящие многие многоканальные решётки антенн.

Подтверждение работы в реальных условиях

Команда изготовила конструкцию с использованием обычной 3D‑печати для пластикового сердечника и стандартных технологий печатных плат для металлических слоёв и питающей линии, сохранив низкую стоимость и простоту. Измерения в безэховой камере показали, что антенна работает примерно от 3,3 до 6,4 гигагерца, с широкой областью, где поляризация остаётся эффективно круговой. Замеренное усиление хорошо согласуется с моделированием, достигая примерно 9,5 децибела без отражателя и более высокого значения с ним. Простая оценка баланса канала показывает, что в пределах нескольких метров антенна может обеспечить достаточную принимаемую мощность для типичных схем энергосбора с эффективностью выше 50 процентов, позволяя небольшим датчикам перезаряжаться за минуты вместо часов.

Что это значит для повседневных устройств

Проще говоря, авторы создали недорогой «прожектор мощности», который работает в широкой полосе микроволновых частот и продолжает эффективно передавать энергию даже при движении и вращении устройств. Комбинируя необычную 3D‑печатную форму с продуманной структурой питания и отражателем, им удалось преодолеть обычный компромисс между сильным направленным излучением и широким рабочим диапазоном. Это делает антенну перспективным элементом для будущих сетей беспроводной передачи энергии, которые могли бы незаметно подзаряжать беспитательные датчики в домах, на заводах и в городах, приближая идею устройств без обслуживания к повседневной реальности.

Цитирование: Abdalmalak, K.A., Abdelmoneim, L.H., Alsirhani, K.F. et al. Wideband circularly polarized dielectric resonator antenna with high gain for microwave wireless power transfer. Sci Rep 16, 8833 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39831-7

Ключевые слова: беспроводная передача энергии, антенна с круговой поляризацией, диэлектрический резонатор, 3D-печатная электроника, сбор микроволновой энергии