Исследователи и ученые из Московского физико-технического института и Университета ИТМО представляют способ повышения эффективности беспроводной передачи энергии на большие расстояния.
Команда исследователей из МФТИ и Университета ИТМО проверила его с помощью численного моделирования и экспериментов. Для этого они передавали мощность между двумя антеннами. В результате один из них возбудился обратным сигналом определенной амплитуды и фазы.
«Понятие когерентного поглотителя было введено в статье, опубликованной еще в 2010 году. Авторы показали, что волновую интерференцию можно использовать для управления поглощением света и электромагнитного излучения в целом», - вспоминает докторант МФТИ Денис Баранов.
«Мы решили выяснить, можно ли таким же образом управлять другими процессами, такими как распространение электромагнитных волн. Мы решили работать с антенной для беспроводной передачи энергии, потому что эта технология значительно выиграет от этой технологии», - говорит он. «Что ж, мы были весьма удивлены, обнаружив, что передачу мощности действительно можно улучшить, передав часть принятой мощности от заряжающей батареи обратно на приемную антенну».
Беспроводная передача энергии первоначально была предложена Никола Тесла в 19 - м веке. Он использовал принцип электромагнитной индукции, поскольку мы знаем, что закон Фарадея гласит, что если вторая катушка помещается в магнитное поле первой катушки, она индуцирует электрический ток во второй катушке, который может использоваться для различных целей.
Рисунок. 1. Пунктирные линии магнитных полей вокруг двух индукционных катушек иллюстрируют принцип электромагнитной индукции.
В наши дни, если говорить о диапазоне беспроводной передачи данных, это означает прямо на зарядном устройстве. Проблема в том, что сила магнитного поля, создаваемого катушкой зарядного устройства, обратно пропорциональна расстоянию от нее. Из-за этого беспроводная передача работает только на расстоянии менее 3-5 сантиметров. В качестве решения этой проблемы можно увеличить размер одной из катушек или тока в ней, но это означает более сильное магнитное поле, которое потенциально опасно для людей вокруг устройства. Кроме того, в некоторых странах действуют законодательные ограничения на мощность излучения. Как и в России, плотность излучения не должна превышать 10 микроватт на квадратный сантиметр вокруг вышки сотовой связи.
Передача энергии через воздушную среду
Беспроводная передача энергии возможна различными методами, такими как передача энергии в дальнем поле, передача энергии и использование двух антенн, одна из которых передает энергию в виде электромагнитных волн другой, которая дополнительно преобразует излучение в электрические токи. Передающую антенну нельзя значительно улучшить, потому что она просто генерирует волны. Приемная антенна имеет гораздо больше возможностей для улучшения. Он не поглощает все падающее излучение, но частично излучает обратно. Как правило, отклик антенны определяется двумя ключевыми параметрами: временем затухания τF и τw в излучение свободного пространства и в электрическую цепь соответственно. Отношение между этими двумя значениями определяет, сколько энергии, переносимой падающей волной, «извлекается» приемной антенной.
Рисунок 2. Приемная антенна. SF обозначает падающее излучение, sw− - это энергия, которая в конечном итоге идет в электрическую цепь, а sw + - вспомогательный сигнал. Предоставлено: Алекс Краснок и др. / Письма с физическим обзором
Однако приемник передает вспомогательный сигнал обратно в антенну, а фаза и амплитуда сигнала совпадают с фазой и амплитудой падающей волны, эти два сигнала будут мешать, потенциально изменяя пропорцию извлеченной энергии. Эта конфигурация обсуждается в статье, представленной в этой статье, написанной группой исследователей МФТИ Дениса Баранова под руководством Андреа Алу.
Использование интерференции для усиления волн
Перед тем, как реализовать предложенную конфигурацию передачи энергии в эксперименте, физики теоретически оценили, какое улучшение может предложить обычная пассивная антенна. Оказалось, что если в первую очередь выполняется условие сопряженного согласования, то никакого улучшения не происходит: антенна изначально настроена идеально. Однако для расстроенной антенны, времена затухания которой существенно различаются, т. Е. Когда τF в несколько раз больше, чем τw, или наоборот, вспомогательный сигнал оказывает заметное влияние. В зависимости от ее фазы и амплитуды доля поглощенной энергии может быть в несколько раз больше по сравнению с той же расстроенной антенной в пассивном режиме. Фактически, количество поглощенной энергии может достигать уровня настроенной антенны (см. Рисунок 3).
Рисунок 3. График на (a) показывает, как разница между принятой и потребляемой мощностью, известная как баланс энергии Σ, зависит от мощности вспомогательного сигнала для расстроенной антенны с τw в 10 раз больше, чем τF. Оранжевая заштрихованная область охватывает диапазон возможных фазовых сдвигов между падающей волной и сигналом. Пунктирная линия представляет ту же зависимость для антенны, параметры τF и τw которой равны, то есть настроенной антенны. График (b) показывает коэффициент усиления - соотношение между максимальным балансом энергии Σ и балансом энергии пассивной расстроенной антенны - как функцию отношения времен затухания антенны τF / τw. Предоставлено: Алекс Краснок и др. / Письма с физическим обзором
Чтобы подтвердить свои теоретические расчеты, исследователи численно смоделировали дипольную антенну длиной 5 сантиметров, подключенную к источнику питания, и облучали ее волнами 1,36 гигагерца. Для этой установки зависимость баланса энергии от фазы и амплитуды сигнала (рисунок 4) в целом совпала с теоретическими предсказаниями. Интересно, что баланс был максимальным для нулевого фазового сдвига между сигналом и падающей волной. Объяснение, предложенное исследователями, таково: в присутствии вспомогательного сигнала эффективная апертура антенны увеличивается, поэтому она собирает больше передаваемой энергии в кабель. Это увеличение апертуры видно по вектору Пойнтинга вокруг антенны, который указывает направление передачи энергии электромагнитного излучения (см. Рисунок 5).
Рисунок 4. Результаты численных расчетов для различных фазовых сдвигов между падающей волной и сигналом (сравните рисунок 3а). Предоставлено: Алекс Краснок и др. / Письма с физическим обзором
Рис. 5. Распределение вектора Пойнтинга вокруг антенны для нулевого фазового сдвига (слева) и фазового сдвига на 180 градусов (справа). Предоставлено: Алекс Краснок и др. / Письма с физическим обзором
Помимо численного моделирования, команда провела эксперимент с двумя коаксиальными адаптерами, которые служили микроволновыми антеннами и были расположены на расстоянии 10 сантиметров друг от друга. Один из адаптеров излучал волны мощностью около 1 милливатта, а другой пытался уловить их и передать энергию в цепь через коаксиальный кабель. Когда частота была установлена на 8 гигагерц, адаптеры работали как настроенные антенны, передавая мощность практически без потерь (рисунок 6a). Однако на более низких частотах амплитуда отраженного излучения резко увеличивалась, и адаптеры функционировали больше как расстроенные антенны (рисунок 6b). В последнем случае исследователям удалось увеличить количество передаваемой энергии почти в десять раз с помощью вспомогательных сигналов.
Рис. 6. Экспериментально измеренная зависимость баланса энергии от фазового сдвига и мощности сигнала для настроенной (а) и расстроенной (б) антенны. Предоставлено: Алекс Краснок и др. / Письма с физическим обзором
В ноябре группа исследователей, в которую входил Денис Баранов, теоретически продемонстрировала, что можно сделать прозрачный материал, который поглощает большую часть падающего света, если входящий импульс света имеет правильные параметры (в частности, амплитуда должна расти экспоненциально). Еще в 2016 году физики из МФТИ, Университета ИТМО и Техасского университета в Остине разработали наноантенны, которые рассеивают свет в разных направлениях в зависимости от его интенсивности. Их можно использовать для создания сверхбыстрых каналов передачи и обработки данных.
Источник новостей: МФТИ