Система беспроводной передачи энергии в дальнем поле на миллиметровых волнах с высокой эффективностью на основе метапроводника Cu/Co

Энергия сквозь воздух

Представьте себе подзарядку телефона, дрона или даже спутника без единого провода. Беспроводная передача энергии обещает именно это: доставка энергии по воздуху вместо медных кабелей. Но современные дальнодействующие беспроводные каналы громоздки и теряют большую часть энергии по пути. В этой работе исследуется новый тип ультратонкой металлической проводки, который делает передачу энергии в дальнем поле значительно более эффективной, потенциально уменьшая размеры будущего оборудования для передачи питания для портативных устройств и космических систем.

Почему дальняя беспроводная передача энергии сложна

Большинство коммерческих беспроводных зарядных устройств сегодня основаны на короткодистанционной магнитной связи: две катушки должны находиться почти друг на друге. На больших расстояниях инженеры используют антенны, излучающие энергию в виде радиоволн, которую затем улавливает приёмная антенна и выпрямитель, превращающий волны обратно в постоянный ток. Такой подход «в дальнем поле» может покрывать метры или даже километры, но современные системы преобразуют в полезную электроэнергию лишь несколько процентов передаваемой мощности. Одна из проблем — при относительно низких радио-частотах используемые антенны становятся физически большими. Другая, более тонкая проблема возникает на гораздо более высоких «миллиметровых» частотах, где возможны маленькие, сильно сфокусированные лучи: здесь энергия теряется внутри самих металлических фид-линий и конструкций антенн.

Новый вид металла для высокочастотной передачи

Эти внутренние потери вызваны «эффектом скин-слоя»: на высоких частотах электрический ток сжимается в очень тонком слое у поверхности обычного проводника, например меди, что резко увеличивает его сопротивление. Чтобы бороться с этим, авторы опираются на идею «метапроводника» — тщательно сконструированного стека ультратонких магнитных и немагнитных металлических слоёв. В их конструкции множество повторяющихся слоёв меди и кобальта — каждый толщиной всего в десятки или сотни нанометров — наносятся на низкопотерянное стеклянное основание. Магнитные свойства кобальта и немагнитного медного слоя настраиваются так, что завихряющиеся вихревые токи взаимно компенсируются. Фактически ток может протекать через всю толщу слоя, вместо того чтобы сжиматься в наружном скин-слое, что снижает сопротивление на миллиметровых частотах.

Создание полноценной линии беспроводной передачи энергии

Исследователи испытали эту концепцию в полноценной системе беспроводной передачи энергии, работающей на 28 гигагерцах — полосе частот, похожей на используемую для сетей 5G. Они разработали компактные матричные антенные решётки 4×4 для передатчика и приёмника, а также металлические фид-сети, распределяющие мощность на каждый элемент. Ректирующая схема на основе быстрого Шоттки-диода превращает принятый радиосигнал в постоянный ток. Важно, что все ключевые пути — передающая антенна, приёмная антенна и межсоединения ректировщика — были изготовлены с использованием медно-кобальтового метапроводника. Для сравнения они также собрали параллельную систему, где все металлические части были сделаны из обычной цельной меди той же суммарной толщины.

Измерение выигрыша в реальной производительности

В лабораторных испытаниях команда измеряла, насколько эффективно энергия передавалась от передающей к приёмной антенне и насколько хорошо ректирующая схема превращала этот сигнал в постоянный ток. На расстояниях от 10 до 30 сантиметров версия с метапроводником последовательно обеспечивала более сильные принимаемые сигналы, чем медная версия. На 20 сантиметрах общая «концевая» эффективность — от DC на входе, через излучение в воздухе, до DC на выходе — выросла примерно с 0,42 процента для цельной меди до 7,5 процента для медно-кобальтового стека, то есть улучшилась в 17,85 раза. Сам ректирующий блок также извлёк выгоду: его КПД RF‑to‑DC возрос с примерно 64 до 71 процента при проектной мощности. Поскольку проводка из метапроводника рассеивает меньше энергии, антенны можно сделать меньшими при сохранении высокого усиления, что сокращает площадь и массу примерно на 81 процент по сравнению с медным дизайном схожей производительности.

Что это может означать для будущих устройств

Для неспециалистов вывод прост: перенастроив металл на наноуровне, авторы нашли способ обеспечить более равномерное течение высокочастотных электрических токов и уменьшить потери энергии в виде тепла. Когда такая улучшенная проводка встроена в полноценную систему беспроводной передачи энергии, гораздо большая доля передаваемой мощности достигает приёмника, даже на расстояниях в десятки сантиметров, а оборудование может стать значительно легче и компактнее. Хотя это пока лабораторный прототип, медно-кобальтовые метапроводники указывают путь к практичным дальнодействующим беспроводным системам питания, которые однажды смогут перезаряжать портативную электронику, сети датчиков или даже спутниковое оборудование без тяжёлых кабелей или громоздких антенн.

Цитирование: Lee, W., Jang, H. & Yoon, YK. High efficiency far-field mmWave-based wireless power transfer system using Cu/Co metaconductor. Sci Rep 16, 12340 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42136-4

Ключевые слова: беспроводная передача энергии, миллиметровые волны, метапроводник, многослойная медь-кобальт, ректенна