使用Cu/Co超导金属的高效远场毫米波无线能量传输系统

通过空气传输能量

设想不用插电就可以为手机、无人机，甚至卫星充电。无线能量传输正是这种承诺：通过空气而非铜缆传送能量。但当今的远距离无线供能装置体积庞大且在传输过程中损耗大部分能量。本文探讨了一种新型超薄金属导线，能显著提高远场无线能量传输效率，有望将未来便携设备和航天系统的能量束发射硬件大幅缩小。

为何远距离无线供能如此困难

目前大多数商用无线充电器依赖近距离磁耦合：两个线圈必须几乎重叠。在更大距离下，工程师改用辐射电磁波的天线，然后用接收天线和将波转换为直流的整流器来回收能量。这种“远场”方式可以覆盖数米甚至数公里，但现有系统仅能将少数百分比的发射功率转换为可用电能。问题之一是，在常用的较低射频下，天线体积会很大。另一个更微妙的问题出现在更高的“毫米波”频段，此时可以实现小而高度聚焦的波束：能量会在金属馈线和天线结构内部被消耗掉。

用于高频供能的新型金属

这些内部损耗源于“表皮效应”：在高频下，电流拥挤流经普通导体（如铜）的极薄表层，从而显著增加电阻。为了解决这个问题，作者基于“元导体”的理念，精心构建了一种由超薄磁性和非磁性金属层交替堆叠的结构。在他们的设计中，许多重复的铜与钴层——每层厚度仅数十到数百纳米——沉积在低损耗玻璃基板上。通过调控钴的磁性与铜的非磁性行为，涡流可相互抵消。实际上，电流可以贯穿整个堆栈的厚度，而不是被挤压到表层，从而在毫米波频段降低电阻。

构建完整的无线电力链路

研究团队在28吉赫的工作频率下将该概念应用到一个完整的无线能量传输系统（该频段与5G探索的频段相近）。他们为发射端和接收端各设计了紧凑的4×4贴片阵列天线，以及将功率分配到每个贴片的金属馈电网络。基于快速肖特基二极管的整流电路将捕获到的射频信号转换为直流电。关键在于：所有这些主要通路——发射天线、接收天线和整流互连——均采用铜–钴元导体制造。为作比较，他们还制作了一个对照系统，其中所有金属部件均由相同总厚度的普通实心铜制成。

在实际性能中的增益测量

在实验室测试中，团队测量了能量从发射天线到接收天线的传输效率，以及整流器将该信号转换为直流功率的能力。在10到30厘米的距离范围内，元导体版本始终比铜版本提供更强的接收信号。在20厘米处，端到端的总体效率——从直流发射，经过空气辐射，再回到直流——由实心铜的大约0.42%跃升到铜–钴堆栈的7.5%，提升约17.85倍。仅整流器的性能也有所改善：其射频到直流的效率在设计功率下从约64%上升到71%。由于元导体布线损耗较少，天线可以在保持高增益的同时设计得更小，与性能相当的铜制设计相比，面积和重量约减少了81%。

这对未来设备意味着什么

给非专业读者的结论很直白：通过在纳米尺度上重新设计金属本身，作者找到了一种让高频电流更顺畅流动、减少热损耗的方法。当这种改进的布线被集成到完整的无线能量系统中时，更多发射的能量能到达接收端，即便在几十厘米范围内，硬件也能更轻更紧凑。尽管这仍是实验室原型，但铜–钴元导体指向了实用的远距离无线供能链路的可能前景，未来可能为便携电子设备、传感器网络乃至航天器硬件提供无需粗重电缆或过大天线的充电方案。

引用: 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

关键词: 无线能量传输, 毫米波, 元导体, 铜钴多层, 整流天线（rectenna）