用于微波无线电力传输的宽带圆极化高增益介电谐振天线

穿越空气的能量

想象你的家中布满微小传感器、可穿戴设备，甚至小型无人机，它们无需插电或更换电池。无线电力传输的目标就是通过将能量像 Wi‑Fi 传输数据那样在空气中发送来实现这一愿景。本文提出了一种新型紧凑天线，能够在更远的距离上、更高效地发射微波能量，同时减少对接收设备朝向的依赖。

为什么定向传输很难

在距离上传输有用的功率比传输数据信号要复杂得多。能量会快速发散，因此发射天线必须把能量聚成高“增益”的窄波束。与此同时，手机、传感器和飞行器通常不会与发射器保持精确对齐。如果电场沿某一固定方向（线极化），接收器的任何倾斜或旋转都可能大幅削弱捕获的能量。圆极化通过让电场随波传播时旋转来解决这一问题，从而使功率传输对设备朝向更加稳健。但要同时实现强烈的圆极化与宽带（在一段较宽的频率范围内都工作良好）一直是工程上的挑战。

为更好波束而创新的形状

为了解决这一问题，作者设计了一种由常见低成本 3D 打印塑料制成的新型三维辐射体。与简单的方块不同，该天线核心更像是坐落在扁平环上的杯状锥体。通过精细调整锥体高度和环的尺寸，结构支持多种电磁场谐振模式并将它们合并为单一的连续工作带。这意味着天线可以在以 5.8 GHz 为中心的较宽频带内保持高效——该频段是常用于无线电力实验的工业、科学和医疗（ISM）频段。仿真显示，增高该结构会激活更高阶的场型，这显著增强波束强度而不牺牲带宽。

来自底部的智能馈电

天线的性能既取决于可见形状，也取决于如何向其“供能”。在这里，研究人员在 3D 打印的锥体和环下面的金属层上开出两个重叠的椭圆形开口和若干小圆形缺口。这些开口像精调的阀门一样分割并延迟电流，使场以合适的相位旋转，从而在较宽的频率范围内产生圆极化，而不是只在单一窄频点出现。将能量引入这些缝隙的馈线也被刻成矩形与圆形相结合的钥匙状剖面，以便使输入能量与天线的固有阻抗匹配，减少会浪费能量的反射。塑料锥体内的两个小倾斜孔进一步微调场的旋转，拓宽了圆旋转保持强劲的频率范围。

净化波束

设计的早期版本出现了不需要的旁瓣和背瓣——能量泄漏到非目标方向。为了解决这个问题，团队在接地平面上增加了两个相连的圆形切口，以重塑天线下方的电流分布，从而大幅抑制旁瓣。然后他们在整体结构后方按特定距离放置了一块简单的金属板作为反射器，抵消大部分后向辐射并将更多能量引导到前向波束。结果是一枚紧凑的单单元天线，具有强而定向的主瓣、超过 15 dB 的前后比，以及相对于标准圆极化源约 11.1 dB 的峰值增益——这些参数可与许多多天线阵列相媲美甚至更优。

在现实世界中验证

团队使用常规 3D 打印制造塑料核心，并用标准电路板工艺制作金属层和馈线，保持了低成本和低复杂度。在消声室中的测量表明，该天线工作频带大约从 3.3 到 6.4 GHz，并在较宽频段内保持有效的圆极化。实测增益与仿真结果相近，在未使用反射器时约为 9.5 dB，使用反射器时更高。简单的链路预算分析表明，在数米范围内，天线可为典型能量收集电路提供足够的接收功率，使效率超过 50%，从而使小型传感器在几分钟内而非数小时内完成充电。

对日常设备的意义

简而言之，作者制造了一个低成本的“能量聚光灯”，它在宽带微波频率范围内工作，并能在设备移动和旋转时持续高效地传输能量。通过将非同寻常的 3D 打印形状与巧妙雕刻的馈电结构和反射器结合，他们克服了强波束与宽工作范围之间的典型权衡。这使该天线成为未来无线电力网络的有前景构件，可在家庭、工厂和城市中悄然为无电池传感器补充能量，让免维护的互联设备更接近日常现实。

引用: 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

关键词: 无线电力传输, 圆极化天线, 介电谐振器, 3D 打印电子, 微波能量收集