Дослідники та вчені Московського фізико-технічного інституту та Університету ІТМО представляють спосіб підвищення ефективності бездротової передачі потужності на великі відстані.
Команда дослідників з МФТІ та Університету ІТМО перевірила його за допомогою чисельного моделювання та експериментів. Для досягнення цього вони передавали потужність між двома антенами. В результаті один із них був збуджений сигналом, що поширюється назад, специфічної амплітуди та фази.
"Поняття когерентного поглинача було введено в роботі, опублікованій ще в 2010 році. Автори показали, що хвильові перешкоди можуть бути використані для контролю поглинання світла та електромагнітного випромінювання загалом", - згадує докторант МФТІ Денис Баранов.
"Ми вирішили з'ясувати, чи можна таким же чином керувати іншими процесами, такими як поширення електромагнітних хвиль. Ми вирішили працювати з антеною для бездротової передачі потужності, оскільки ця система отримає величезну користь від цієї технології", - говорить він. "Ну, ми були дуже здивовані, дізнавшись, що передачу потужності дійсно можна посилити, передаючи частину отриманої потужності від заряджаючої батареї назад на приймальну антену".
Бездротова передача енергії спочатку була запропонована Нікола Тесла в 19 - м столітті. Він використовував принцип електромагнітної індукції, оскільки, як ми знаємо, закон Фарадея говорить, що якщо друга котушка розміщена в магнітному полі першої котушки, вона індукує електричний струм у другій котушці, що може бути використано для різних застосувань.
Малюнок. 1. Пунктирні лінії магнітних полів навколо двох індукційних котушок ілюструють принцип електромагнітної індукції
У наш час, якщо говорити про діапазон бездротової передачі, то саме це означає прямо на верхній частині зарядного пристрою. Проблема полягає в тому, що сила магнітного поля, що генерується котушкою в зарядному пристрої, обернено пропорційна відстані від неї. Через це бездротова передача працює лише на відстані менше 3-5 сантиметрів. Як вирішення цієї проблеми можна збільшити розмір однієї з котушок або струму в ній, але це означає посилення магнітного поля, яке потенційно шкідливо для людини навколо пристрою. Крім того, є деякі країни, які мають законодавчі обмеження щодо потужності випромінювання. Як і в Росії, щільність випромінювання не повинна перевищувати 10 мікроватт на квадратний сантиметр навколо камери.
Передача потужності через повітряне середовище
Бездротовий перенос потужності можливий різними методами, такими як передача енергії в далекому полі, випромінювання потужності та використання двох антен, одна з яких посилає енергію у вигляді електромагнітних хвиль на іншу, яка надалі перетворює випромінювання в електричний струм. Передавальну антену неможливо значно покращити, оскільки вона в основному генерує хвилі. Приймаюча антена має набагато більше областей для вдосконалення. Він не поглинає все падаюче випромінювання, але випромінював частину назад. Як правило, відгук антени визначається двома ключовими параметрами: часом спаду τF і τw на випромінювання вільного простору та в електричну ланцюг відповідно. Співвідношення між цими двома значеннями визначає, скільки енергії, яку несе падаюча хвиля, «витягується» приймальною антеною.
Рисунок 2. Приймальна антена. SF позначає падаюче випромінювання, тоді як sw− - це енергія, яка в кінцевому підсумку надходить в електричний ланцюг, а sw + - допоміжний сигнал. Кредит: Алекс Краснок та ін. / Листи з фізичного огляду
Однак приймач передає допоміжний сигнал назад на антену, і фаза та амплітуда сигналу збігаються з сигналами падаючої хвилі, ці два будуть заважати, потенційно змінюючи частку витягнутої енергії. Ця конфігурація обговорюється в статті, яка викладена у цій історії, автором якої є група дослідників МФТІ Дениса Баранова та очолюваною Андреа Алу.
Використовуючи перешкоди для посилення хвиль
Перш ніж застосувати запропоновану конфігурацію передачі потужності в експерименті, фізики теоретично оцінили, які покращення на звичайній пасивній антені вона може запропонувати. Виявилося, що якщо спочатку виконана умова відповідності спряжених сполук, то ніяких поліпшень немає: антена для початку ідеально налаштована. Однак для розбудованої антени, час розпаду якої суттєво різниться - тобто, коли τF у кілька разів більша за τw, або навпаки - допоміжний сигнал має помітний ефект. Залежно від фази та амплітуди частка поглиненої енергії може бути в кілька разів більшою порівняно з тією ж розбудованою антеною в пасивному режимі. Насправді кількість поглиненої енергії може бути настільки високою, як у налаштованої антени (див. Малюнок 3).
Рисунок 3. Графік у (а) показує, як різниця між отриманою та споживаною потужністю, відома як енергетичний баланс Σ, залежить від потужності допоміжного сигналу для відстроченої антени з τw в 10 разів більшою, ніж τF. Помаранчева затінена область охоплює діапазон можливих фазових зсувів між падаючою хвилею та сигналом. Пунктирна лінія представляє однакову залежність для антени, параметри τF та τw рівні, тобто налаштованої антени. Графік (b) показує коефіцієнт посилення - відношення між максимальним енергетичним балансом Σ та енергетичним балансом пасивної відстроченої антени - як функцію відношення між часом затухання антени τF / τw. Кредит: Алекс Краснок та ін. / Листи з фізичного огляду
Для підтвердження своїх теоретичних розрахунків дослідники чисельно змоделювали 5-сантиметрову дипольну антену, підключену до джерела живлення, і опромінили її хвилями 1,36 гігагерца. Для цієї установки залежність енергетичного балансу від фази та амплітуди сигналу (рис. 4), як правило, співпадала з теоретичними прогнозами. Цікаво, що баланс був максимізований для нульового зсуву фази між сигналом та падаючою хвилею. Пояснення, запропоноване дослідниками, полягає в наступному: у присутності допоміжного сигналу ефективна діафрагма антени посилюється, тому вона збирає більше енергії, що поширюється в кабелі. Це збільшення діафрагми видно з вектора Пойнтінга навколо антени, який вказує напрямок передачі енергії електромагнітного випромінювання (див. Рисунок 5).
Рисунок 4. Результати чисельних розрахунків для різних фазових зсувів між падаючою хвилею та сигналом (порівняйте рисунок 3а). Кредит: Алекс Краснок та ін. / Листи з фізичного огляду
Рисунок 5. Розподіл вектора Пойнтінга навколо антени для нульового зсуву фази (ліворуч) та фазового зсуву 180 градусів (праворуч). Кредит: Алекс Краснок та ін. / Листи з фізичного огляду
На додаток до чисельного моделювання, команда провела експеримент з двома коаксіальними адаптерами, які служили мікрохвильовими антенами і розташовувались на відстані 10 сантиметрів. Один з адаптерів випромінював хвилі потужністю близько 1 міліват, а інший намагався їх уловлювати і передавати енергію в ланцюг через коаксіальний кабель. Коли частоту встановили на 8 гігагерц, адаптери працювали як налаштовані антени, передаючи потужність практично без втрат (рисунок 6а). Однак на нижчих частотах амплітуда відбитого випромінювання різко зростала, і адаптери функціонували більше як розбудовані антени (рисунок 6b). В останньому випадку дослідникам вдалося збільшити кількість переданої енергії майже вдесятеро за допомогою допоміжних сигналів.
Рисунок 6. Експериментально виміряна залежність енергетичного балансу від зсуву фази та потужності сигналу для налаштованої (а) та розбудованої (б) антени. Кредит: Алекс Краснок та ін. / Листи з фізичного огляду
У листопаді група дослідників, включаючи Дениса Баранова, теоретично продемонструвала, що прозорий матеріал можна зробити для поглинання більшості падаючого світла, якщо вхідний імпульс світла має правильні параметри (зокрема, амплітуда повинна зростати в геометричній прогресії). Ще в 2016 році фізики з МФТІ, Університету ІТМО та Техаського університету в Остіні розробили нано-антени, які розсіюють світло в різних напрямках залежно від його інтенсивності. Вони можуть використовуватися для створення надшвидких каналів передачі та обробки даних.
Джерело новин: MIPT