А. Джандалиева1, Т. А. Савиных2, Н. В. Михайлов3, А. В. Щелокова4
1–4 Университет ИТМО (Санкт-Петербург, Россия)

1 a.jandaliyeva@itmo.ru

Постановка проблемы. Существуют различные способы обеспечения устройств электропитанием. Одним из актуальных направлений в науке и технике является разработка систем беспроводной передачи энергии (БПЭ), решающих широкий диапазон задач: от зарядки портативных устройств и датчиков «умного дома» до питания промышленного оборудования и медицинских имплантов. В частности, трендом последних лет является реализация БПЭ в объеме из-за удобства зарядки устройства вне зависимости от его расположения и ориентации внутри пространства. Ключевым элементом таких систем является передающий резонатор, генерирующий магнитное поле. Его топология и способ возбуждения напрямую влияют на параметры системы, такие как равномерность амплитуды магнитного поля и эффективность передачи энергии. Представляет интерес рассмотрение различных топологий передающего резонатора и способов его возбуждения, а также разработка методики их сравнения, позволяющая более наглядно показать различия и особенности рассматриваемых конфигураций.

Цель. Сравнить различные топологии резонаторов и способы их возбуждения с точки зрения оптимизации критерия качества связи между передатчиком и приемником и выявить оптимальную конфигурацию для реализации БПЭ в объеме.

Результаты. Путем численного электромагнитного моделирования получены характеристики различных топологий резонаторов и способов возбуждения. Показано, что значения равномерности амплитуды магнитного поля и КПД в ряде моделей близки, что затрудняет их ранжирование по стандартным метрикам. Отмечено, что применение критерия качества связи и его разложение на вклад магнитной связи и омических потерь позволило выявить скрытые различия. Выявлено, что наиболее эффективной конфигурацией оказалась модель на основе медных лент с подачей питания через кабель. Установлено, что ключевыми параметрами оптимизации являются синфазность токов во всех проводящих элементах, максимизирующая магнитную связь, и минимизация омических потерь за счет распределения тока в проводниках. Продемонстрирована возможность повышения эффективности систем БПЭ в объеме за счет обоснованного выбора топологии передающих резонаторов и способа их возбуждения на основе критерия качества связи между передатчиком и приемником.

Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы при проектировании систем беспроводного питания портативных устройств, медицинских имплантатов и датчиков «умного дома».

Джандалиева А., Савиных Т.А., Михайлов Н.В., Щелокова А.В. Влияние топологии и способа возбуждения объемных резонаторов на критерий качества связи в системах беспроводной передачи энергии // Антенны. 2026. № 2. С. 28–37. DOI: https://doi.org/10.18127/j03209601-202602-03

1. Song M., Belov P., Kapitanova P. Wireless power transfer inspired by the modern trends in electromagnetics // Applied physics reviews. 2017. V. 4. № 2.
2. Dimitriadou K. et al. Current trends in electric vehicle charging infrastructure; opportunities and challenges in wireless charging integration // Energies. 2023. V. 16. № 4. P. 2057.
3. Дерюгин В. Способы оптимизации систем беспроводной передачи энергии // Электронные компоненты. 2021. № 11. С. 41–43.
4. Завьялов В.М., Гайдук С.В., Абейдулин С.А., Углова М.Б. Анализ влияния параметров резонансного контура на КПД системы беспроводной передачи // Вопросы электротехнологии. 2023. № 1 (38). С. 37–46.
5. Мусина Л.Ф. Исследование методов беспроводной передачи энергии и их применения в различных устройствах // Экономика и управление: проблемы, решения. 2024. Т. 3. № 8 (147). С. 14–25.
6. Amjad M. et al. Wireless charging systems for electric vehicles // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2022. V. 167. P. 112730.
7. Lu C. et al. Design and analysis of an omnidirectional dual-band wireless power transfer system // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2020. V. 69. № 6. P. 3493–3502.
8. Takahashi R. et al. Twin meander coil: Sensitive readout of battery-free on-body wireless sensors using body-scale meander coils // Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. 2021. V. 5. № 4. P. 1–21.
9. Смирнов П. и др. Оптимизация передающих катушек систем беспроводной передачи энергии «один-ко-многим» // Наноиндустрия. 2024. Т. 17. № S10-1(128). С. 79–84.
10. Машковцев И.И., Суслов Е.А. Беспроводная передача энергии посредством резонансного магнитного поля // Сб. трудов Всеросс. ежегодной науч.-технич. конф. «Общество, наука, инновации». 2012. С. 1898–1900.
11. Liu C., Jing X. Wireless power transmission in a closed environment // IEEE Microwave Magazine. 2025. V. 26. № 7. P. 47–64.
12. Chow J.P.W. et al. Optimal design and experimental assessment of a wireless power transfer system for home-cage monitoring // IEEE Transactions on Power Electronics. 2019. V. 34. № 10. P. 9779–9793.
13. Jandaliyeva A., Puchnin V., Shchelokova A. Volumetric wireless coils for breast MRI: A comparative analysis of metamaterial-inspired coil, Helmholtz coil, ceramic coil, and solenoid // Journal of Magnetic Resonance. 2024. V. 359. P. 107627.
14. Basar M.R. et al. Stable and high-efficiency wireless power transfer system for robotic capsule using a modified Helmholtz coil // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2016. V. 64. № 2. P. 1113–1122.
15. Sasatani T., Sample A.P., Kawahara Y. Room-scale magnetoquasistatic wireless power transfer using a cavity-based multimode resonator // Nature Electronics. 2021. V. 4. № 9. P. 689–697.
16. Jandaliyeva A. et al. Control of the near magnetic field pattern uniformity inside metamaterial-inspired volumetric resonators // Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications. 2022. V. 48. P. 100989.
17. Shchelokova A. et al. Ceramic resonators for targeted clinical magnetic resonance imaging of the breast // Nature communications. 2020. V. 11. № 1. P. 3840.
18. Ha-Van N. et al. Cylindrical transmitting coil for two-dimensional omnidirectional wireless power transfer // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2022. V. 69. № 10. P. 10045–10054.
19. Ha-Van N., Seo C. Analytical and experimental investigations of omnidirectional wireless power transfer using a cubic transmitter // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2017. V. 65. № 2. P. 1358–1366.
20. Li Y. et al. A novel type of 3-D transmitter for omnidirectional wireless power transfer // IEEE Transactions on Power Electronics. 2024. V. 39. № 5. P. 6537–6548.
21. Jandaliyeva A. et al. Design and demonstration of the volumetric resonator with uniform magnetic field distribution for wireless power transfer // 2024 IEEE Wireless Power Technology Conference and Expo (WPTCE). IEEE, 2024. P. 326–329.
22. Бурмистров О.И., Дмитриев А.А., Тихонов П.М. и др. Беспроводная передача энергии отстроенным резонатором типа «птичья клетка» в магнитно-резонансной томографии // Антенны. 2025. № 4. С. 73–84.
23. Moffatt R.A. Geometric quantities characterizing wireless power transfer between a resonator and resonant dipoles // 2019 IEEE Wireless Power Transfer Conference (WPTC). IEEE, 2019. P. 502–507.
24. Payne A. The ac resistance of rectangular conductors. 2016. V. 1. P. 1–17.