Смартфон больше не нужно выравнивать на зарядке: как инженеры заставили энергию находить устройство в любой точке стола

Практически все современные устройства беспроводной зарядки работают на основе электромагнитной индукции или магнитного резонанса. Принцип действия этих систем остается неизменным уже более века. Переменный электрический ток, протекающий через передающую катушку, создает переменное магнитное поле. Это поле проникает в контур приемной катушки и возбуждает в ней электродвижущую силу, генерируя ток для питания электроники или зарядки аккумулятора.

Главный эксплуатационный недостаток такого подхода — жесткие требования к взаимному положению передатчика и приемника. Интенсивность переменного магнитного поля вблизи источника убывает чрезвычайно быстро: при увеличении расстояния в два раза напряженность поля падает примерно в восемь раз (по закону обратных кубов). Стоит сдвинуть приемное устройство относительно центра передающей площадки всего на пару сантиметров, как электромагнитная связь между ними резко ослабевает. В результате процесс передачи энергии либо полностью прекращается, либо его эффективность падает до значений, не имеющих практического смысла.

Для решения этой проблемы разработчики потребительской электроники обычно используют массивы из множества перекрывающихся медных катушек. Однако такой метод создает целый комплекс инженерных сложностей:

1. Матрица катушек требует разветвленной системы полупроводниковых ключей, которые должны непрерывно отслеживать координаты устройства и включать только нужные контуры.
2. Невозможно полностью избавиться от краевого рассеяния магнитного поля: активная катушка неизбежно поляризует соседние неактивные проводники.
3. Если рядом с активной зоной случайно оказывается посторонний металлический предмет — например, монета или связка ключей, — высокочастотное магнитное поле наводит в металле вихревые токи, что приводит к опасному нагреву и риску возгорания.
4. Создание зарядных поверхностей большой площади классическими методами экономически нецелесообразно из-за огромного расхода меди, значительного утяжеления конструкции и резкого падения коэффициента полезного действия всей системы.

Группа исследователей из Ханойского университета промышленности и Вьетнамской академии наук и технологий предложила принципиально иную архитектуру беспроводного питания. Они создали плоскую двумерную структуру — цифровую реконфигурируемую метаповерхность. Она формирует строго локализованную траекторию для передачи мощности непосредственно к приемнику и динамически перестраивает эту траекторию в реальном времени при любом его перемещении. Результаты работы опубликованы в научном журнале Scientific Reports.

Физика процесса: магнитоиндуктивные волны и проблема отражений

В основе разработки лежит физика магнитоиндуктивных волн. Это колебательные процессы, которые распространяются вдоль цепочек близко расположенных резонансных контуров за счет взаимного магнитного взаимодействия.

Каждый элементарный контур состоит из индуктивности (проводящей катушки) и емкости (конденсатора), настроенных на одинаковую собственную резонансную частоту. Когда передающая антенна возбуждает высокочастотный переменный ток в первой ячейке, возникающее вокруг нее магнитное поле пересекает витки соседней ячейки и наводит в ней вторичный ток. Этот процесс последовательно передается от ячейки к ячейке по всей длине структуры.

Принципиальное преимущество магнитоиндуктивной волны заключается в том, что она является нерадиационной. В отличие от стандартных радиоволн мобильной связи или радаров, она не излучается свободно во внешнее пространство. Вся электромагнитная энергия остается плотно сконцентрированной в непосредственной близости от проводников платы — в так называемом реактивном ближнем поле, глубина которого измеряется миллиметрами.

Однако при попытке масштабировать эту схему на двумерную плоскость инженеры сталкиваются с фундаментальными электродинамическими барьерами.

Первая проблема — ненаправленное рассеяние. В сплошной, однородной сетке одинаковых резонаторов возбужденная волна начинает распространяться одновременно во все стороны по радиусу. Плотность энергии быстро падает по мере удаления от источника, а неизбежные потери в проводниках и материале печатной платы резко снижают итоговый КПД передачи.

Вторая проблема — краевые эффекты и отражение волн. Магнитоиндуктивная волна может распространяться без потерь только в том случае, если линия бесконечна или если нагрузка на ее конце точно согласована с волновым сопротивлением структуры. В реальном приборе плата всегда имеет конечные геометрические границы, а приемное устройство может располагаться на любом произвольном участке.

Если приемник находится не на самом краю структуры, а где-то в ее центральной части, незадействованный остаток цепочки резонаторов начинает работать как разомкнутая линия передачи. Энергия, которую не успел забрать приемник, идет дальше, доходит до физического края платы, отражается от границы и устремляется в обратном направлении — навстречу основному потоку мощности.

Встретившись, прямая и отраженная волны взаимодействуют друг с другом. Возникает так называемая стоячая волна. Вдоль линии передачи образуются неподвижные участки с максимальной амплитудой колебаний (пучности) и участки с нулевой амплитудой (узлы). Если приемная катушка попадает в такой узел стоячей волны, напряженность магнитного поля там оказывается близка к нулю, и передача мощности полностью прекращается.

До сих пор эту проблему пытались решать подключением согласующих резисторов к каждому отдельному узлу. Но такой подход перегружает электронику и снижает общий КПД: часть передаваемой энергии просто сгорает на согласующих сопротивлениях в виде паразитного тепла.

Архитектура ячейки: управляемый полупроводниковый мета-атом

Вьетнамские инженеры решили проблему отражений и пространственного рассеяния программными методами, исключив необходимость в громоздких пассивных согласующих цепях. Они разработали двумерную метаповерхность, поведение которой полностью определяется цифровым кодом.

Опытный образец представляет собой печатную плату размером 448x448 миллиметров, состоящую из матрицы восемь на восемь ячеек (всего 64 независимых элемента). В терминологии метаматериалов такую элементарную ячейку называют мета-атомом:

• На лицевой стороне платы вытравлена плоская спиральная катушка квадратной формы, состоящая из шести медных витков толщиной 0,035 миллиметра. Внешний размер стороны катушки составляет 56 миллиметров, внутренний свободный диаметр — 20 миллиметров, ширина дорожки — 2 миллиметра. В качестве основания применен классический диэлектрик FR-4 толщиной 1,6 миллиметра.
• На обратной стороне платы под каждой катушкой распаяна миниатюрная схема управления. Ее ключевой элемент — варикап. Это полупроводниковый диод, чья внутренняя электрическая емкость меняется в зависимости от величины приложенного к нему обратного постоянного напряжения. Также в схему входят разделительные конденсаторы, токоограничивающий резистор и высокочастотные дроссели, предотвращающие утечку переменного сигнала в цепи постоянного тока.

Подавая на варикап разное напряжение, можно менять общую емкость колебательного контура и тем самым сдвигать его собственную резонансную частоту. Исследователи запрограммировали для каждой ячейки всего два цифровых состояния:

1. Состояние OFF (логический ноль): напряжение смещения равно 0 вольт. Барьерная емкость варикапа максимальна, поэтому собственная резонансная частота контура составляет 11,00 мегагерц.
2. Состояние ON (логическая единица): напряжение смещения равно 5 вольт. Емкость варикапа снижается, что смещает резонансную частоту контура точно на значение 13,56 мегагерца.

Частота 13,56 мегагерца выбрана намеренно. Это стандартная несущая частота, выделенная международными соглашениями для промышленного, научного и медицинского оборудования (диапазон ISM). Работа на этой частоте полностью легальна и не создает радиопомех телекоммуникационным устройствам или мобильным сетям.

Управляет всей матрицей микроконтроллер STM32 через регистры сдвига и 64 оптопары. Использование оптопар позволило гальванически полностью разделить управляющую цифровую электронику и силовые высокочастотные цепи передачи мощности, благодаря чему блок управления не вносит искажений в магнитные поля.

Формирование волновода в запрещенной зоне

Принцип удержания электромагнитной энергии в заданных границах опирается на физику запрещенных зон (полос задерживания).

Когда на все 64 ячейки матрицы подано напряжение 0 вольт, они настроены на резонансную частоту 11 мегагерц. Для внешнего сигнала с частотой 13,56 мегагерца эта поверхность ведет себя как сплошное непроницаемое препятствие. Энергия просто не может проникнуть внутрь массива резонаторов из-за сильнейшей частотной расстройки. Эксперименты показали, что в таком состоянии на противоположный конец платы проходит менее двух процентов от исходного напряжения сигнала: поле полностью заперто в месте его ввода.

Однако стоит микроконтроллеру подать напряжение 5 вольт на цепочку определенных ячеек, как они синхронно переключаются на частоту 13,56 мегагерца. В толще непроницаемой структуры мгновенно формируется полоса пропускания — последовательный канал из резонансных дефектов.

Внутри этой цепочки соседние катушки начинают эффективно передавать энергию друг другу за счет магнитоиндуктивной связи. При этом ячейки, лежащие справа и слева от маршрута, остаются в режиме 11 мегагерц. Они не способны вступить в резонанс и поглотить эту энергию. Для магнитоиндуктивной волны они работают как изолирующие барьеры, надежно сжимающие электромагнитное поле в пределах выбранного коридора шириной строго в одну ячейку. Потери на боковое рассеяние при этом сводятся практически к нулю.

Метод ступенчатого дефекта: волновод с автоматической регулировкой длины

Главным технологическим прорывом работы стало решение проблемы отражений при произвольном положении потребителя.

Представим ситуацию: источник мощности подключен снизу платы к первой ячейке пятой строки, а линия передачи протянута вдоль всей строки — через восемь ячеек. Если приемное устройство лежит на самом краю, на восьмой ячейке, линия передачи замкнута на нагрузку, и передача мощности идет стабильно.

Но как только приемник перекладывают ближе к центру — например, на седьмую ячейку, — баланс мгновенно нарушается. Восьмая ячейка остается настроенной на частоту 13,56 мегагерца, но на ней больше нет нагрузки. Магнитная волна, пройдя через приемник, устремляется в эту незадействованную ячейку, отражается от ее свободного края и возвращается обратно в точку приема.

Прямая и отраженная волны складываются со сдвигом фазы, взаимно подавляя друг друга. Доля энергии, отражающейся обратно к передатчику, резко возрастает, а полезная передача мощности на нагрузку обваливается более чем в три раза: измеренный коэффициент передачи напряжения падает до критического значения 0,16.

Вместо того чтобы гасить это отражение громоздкими сопротивлениями, авторы применили динамический метод «ступенчатого дефекта». Логика управления проста: длина резонансного пути никогда не должна выходить за пределы координат приемника.

Как только встроенные датчики фиксируют, что приемник переместился на седьмую ячейку, микроконтроллер мгновенно сбрасывает управляющее напряжение на восьмой ячейке с пяти вольт до нуля. Ее резонансная частота немедленно возвращается к значению 11 мегагерц.

Для высокочастотной волны восьмая ячейка перестает существовать как часть проводящего канала: она сливается с окружающей непроницаемой средой. Траектория передачи физически обрывается строго в месте установки приемника. Поскольку путь дальше закрыт полосой задерживания, волне просто не от чего отражаться.

Аппаратные измерения подтвердили корректность этого подхода:

• Уровень нежелательного отражения энергии назад к передатчику снизился более чем на 12 децибел (почти в четыре раза по амплитуде).
• Измеренный коэффициент передачи напряжения на седьмой ячейке вырос с 0,16 до 0,54.

Таким образом, система автоматически ликвидирует паразитные стоячие волны исключительно за счет цифрового переключения частоты мета-атомов, не требуя ни механических переключателей, ни пассивных согласующих сопротивлений.

Работа в глубоком субволновом масштабе и баланс эффективности

Особое внимание в исследовании уделено соотношению физических размеров платы и характеристик электромагнитного поля.

Если разделить скорость распространения электромагнитных волн на рабочую частоту 13,56 мегагерца, мы получим длину волны в окружающем пространстве: она составляет более двадцати двух метров. При этом вся метаповерхность имеет размеры менее сорока пяти сантиметров. Полная длина волновода из восьми ячеек укладывается всего примерно в две сотых от длины волны.

В классической радиотехнике формировать сложные волноводные каналы на дистанциях, составляющих малую долю длины волны, крайне затруднительно из-за фундаментальных ограничений дифракции: волна стремится обогнуть любые препятствия, сопоставимые или меньшие по масштабу, и свободно рассеяться во все стороны.

В разработанной метаповерхности этот барьер преодолен благодаря тому, что перенос мощности происходит исключительно в ближней реактивной зоне. Энергия течет в виде медленной магнитоиндуктивной волны, жестко привязанной к геометрии витков печатной платы и не способной излучаться вдаль.

Лабораторные тесты с использованием векторного анализатора цепей продемонстрировали следующие энергетические показатели:

• При передаче мощности на дистанцию, равную диаметру передающей катушки (передача на соседнюю ячейку), коэффициент передачи по напряжению составил 0,76. Это соответствует эффективности передачи мощности по цепи около 57 процентов.
• При передаче через всю плату — от первой до восьмой ячейки (расстояние в восемь раз больше диаметра источника) — коэффициент передачи по напряжению удерживается на уровне 0,40, что эквивалентно эффективности передачи мощности порядка 16-24 процентов.

Для сравнения: жестко спроектированные одномерные линии аналогичной длины с традиционным резистивным согласованием в аналогичных тестах показывали КПД не выше 23 процентов, будучи при этом полностью неспособными адаптироваться к смене положения приемника.

При этом система управления метаповерхностью отличается минимальным собственным энергопотреблением. В статическом режиме варикапы почти не потребляют тока. Основной расход мощности приходится на регистры сдвига и светодиоды внутри оптопар (суммарно порядка 18 миллиампер на один активный канал). При постоянном напряжении питания 5 вольт вся электроника управления потребляет менее одного ватта, что пренебрежимо мало на фоне мощностей, которые могут передаваться по силовому радиочастотному тракту.

Многопоточная передача: разветвление и параллельные каналы

Поскольку состояние каждого мета-атома определяется независимо в цифровой матрице, геометрия проводящих путей может принимать любую произвольную форму. Авторы статьи экспериментально подтвердили это, реализовав сложные варианты распределения мощности на одной физической панели.

Первый сценарий — создание делителей мощности. Включив в режим 13,56 мегагерца Т-образный участок катушек, исследователи расщепили исходный электромагнитный поток на две независимые ветви. Энергия от единственного передатчика поступила одновременно к двум приемникам, расположенным в разных концах платы. Точно так же ученые протестировали схему с разделением мощности на три ветви.

В обоих случаях паразитные стоячие волны на концах ответвлений успешно подавлялись методом ступенчатого дефекта: программное отключение хвостовых ячеек исключало обратные отражения внутри каждого рукава.

Второй сценарий — создание параллельных независимых магистралей. На одной и той же плате были активированы две параллельные прямые линии ячеек, разделенные несколькими рядами неактивных элементов в режиме 11 мегагерц. На входы линий одновременно подали сигналы от двух независимых передатчиков.

Измерения показали, что промежуточные неактивные ячейки обеспечивают взаимную изоляцию каналов более чем на 30 децибел. Это означает, что перекрестные наводки между соседними потоками ослабляются более чем в тысячу раз по мощности. Система способна передавать энергию двум разным потребителям с абсолютно разными параметрами потребления или транслировать по соседним цепочкам высокоскоростные потоки цифровых данных без взаимного искажения сигналов.

Области практического внедрения

Создание адаптивных метаповерхностей с динамически формируемыми дефектами переводит беспроводную передачу мощности на новый технологический уровень. Жесткие, механически зафиксированные проводники уступают место структурам, чья электродинамическая геометрия формируется программным кодом.

Это открывает широкие возможности в различных прикладных сферах:

1. Интеллектуальные рабочие пространства. Поверхность рабочего или производственного стола, выполненная на основе такой матрицы, может самостоятельно определять координаты любых оставленных на ней предметов — смартфонов, планшетов, беспроводных мониторов или осветительных приборов. Система активирует дорожку резонаторов строго под ними, доставляя требуемую мощность в конкретную точку. При этом вся остальная плоскость стола остается пассивной: уровень магнитного излучения там равен нулю, что исключает нагрев забытых металлических предметов и обеспечивает полную безопасность для человека.
2. Беспроводное питание медицинских имплантов. Зарядка аккумуляторов кардиостимуляторов, нейростимуляторов или искусственных органов традиционными катушками всегда связана с опасностью нагрева окружающих тканей паразитными вихревыми токами. Метаповерхность на тонкой полимерной основе позволяет провести магнитоиндуктивную волну по поверхности тела прямо к проекции имплантированного узла, минимизируя рассеяние поля в смежные здоровые органы.
3. Адаптивные экраны и металинзы для МРТ. Принцип управления полосами задерживания и пропускания применим при модернизации магнитно-резонансных томографов. Расположив подобную метаповерхность внутри рабочей зоны сканера, оператор может программно концентрировать электромагнитный отклик аппарата строго на исследуемом анатомическом участке пациента. Это позволяет существенно повысить соотношение сигнал/шум и получить детальные снимки патологий без наращивания мощности основного сверхпроводящего магнита.

Исследование вьетнамских инженеров доказало: фундаментальные ограничения беспроводной передачи энергии в ближней зоне можно обойти не за счет механического усложнения конструкций, а с помощью гибкого алгоритмического управления свойствами искусственной электромагнитной среды.

Источник: Scientific Reports