Badacze i naukowcy z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii oraz Uniwersytetu ITMO przedstawiają sposób na zwiększenie wydajności bezprzewodowego transferu mocy na duże odległości.
Zespół naukowców z MIPT i ITMO University przetestował go za pomocą symulacji numerycznej i eksperymentów. Aby to osiągnąć, transmitowali moc między dwiema antenami. W rezultacie jeden z nich został wzbudzony propagującym wstecznie sygnałem o określonej amplitudzie i fazie.
„Pojęcie koherentnego pochłaniacza zostało wprowadzone w artykule opublikowanym w 2010 roku. Autorzy wykazali, że interferencja fal może być używana do kontrolowania ogólnego pochłaniania światła i promieniowania elektromagnetycznego” - wspomina doktorant MIPT Denis Baranov.
„Postanowiliśmy sprawdzić, czy inne procesy, takie jak propagacja fal elektromagnetycznych, mogą być kontrolowane w ten sam sposób. Zdecydowaliśmy się na współpracę z anteną do bezprzewodowego przesyłania energii, ponieważ system ten odniósłby ogromne korzyści z technologii” - mówi. „Cóż, byliśmy dość zaskoczeni, gdy dowiedzieliśmy się, że transfer mocy rzeczywiście można poprawić, przesyłając część odebranej energii z akumulatora z powrotem do anteny odbiorczej”.
Bezprzewodowy transfer mocy pierwotnie zaproponowany przez Nikolę Teslę w XIX wieku. Wykorzystał zasadę indukcji elektromagnetycznej, jak wiemy, prawo Faradaya mówi, że jeśli druga cewka zostanie umieszczona w polu magnetycznym pierwszej cewki, indukuje prąd elektryczny w drugiej cewce, który może być użyty do różnych zastosowań.
Postać. 1. Przerywane linie pól magnetycznych wokół dwóch cewek indukcyjnych ilustrują zasadę indukcji elektromagnetycznej
W dzisiejszych czasach, jeśli mówimy o zasięgu bezprzewodowego transferu, dokładnie oznacza to tuż na górze ładowarki. Problem polega na tym, że siła pola magnetycznego generowanego przez cewkę w ładowarce jest odwrotnie proporcjonalna do odległości od niej. Z tego powodu transfer bezprzewodowy działa tylko w odległości mniejszej niż 3-5 centymetrów. Jako rozwiązanie tego problemu, zwiększenie rozmiaru jednej z cewek lub prądu w niej, ale oznacza to silniejsze pole magnetyczne, które jest potencjalnie szkodliwe dla ludzi wokół urządzenia. Ponadto w niektórych krajach obowiązują prawne ograniczenia mocy promieniowania. Podobnie jak w Rosji, gęstość promieniowania wokół wieży komórkowej nie powinna przekraczać 10 mikrowatów na centymetr kwadratowy.
Moc transmitowana przez medium Powietrze
Bezprzewodowy transfer mocy jest możliwy za pomocą różnych metod, takich jak transfer energii w polu dalekim, przesyłanie mocy i wykorzystanie dwóch anten, z których jedna przesyła energię w postaci fal elektromagnetycznych do drugiej, która dalej przekształca promieniowanie w prąd elektryczny. Anteny nadawczej nie można znacznie ulepszyć, ponieważ w zasadzie generuje ona tylko fale. Antena odbiorcza ma znacznie więcej obszarów do poprawy. Nie pochłania całego padającego promieniowania, ale wypromieniowuje część z powrotem. Generalnie odpowiedź anteny jest określana przez dwa kluczowe parametry: czas zaniku τF i τw odpowiednio na promieniowanie w wolnej przestrzeni i na obwód elektryczny. Stosunek między tymi dwiema wartościami określa, jaka część energii jest przenoszona przez padającą falę, która jest „pobierana” przez antenę odbiorczą.
Rysunek 2. Antena odbiorcza. SF oznacza padające promieniowanie, podczas gdy sw− to energia, która ostatecznie trafia do obwodu elektrycznego, a sw + to sygnał pomocniczy. Źródło: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Jednak odbiornik przesyła sygnał pomocniczy z powrotem do anteny, a faza i amplituda sygnału pasują do fali padającej, te dwa będą zakłócać, potencjalnie zmieniając proporcję wydobywanej energii. Ta konfiguracja została omówiona w artykule opisanym w tej historii, którego autorem był zespół badaczy Denisa Baranowa z MIPT, kierowany przez Andreę Alu.
Wykorzystywanie interferencji do wzmacniania fal
Przed wdrożeniem proponowanej konfiguracji transmisji mocy w eksperymencie fizycy teoretycznie oszacowali, jakie ulepszenia może zaoferować zwykła antena pasywna. Okazało się, że jeśli warunek dopasowania koniugatu zostanie spełniony w pierwszej kolejności, nie ma żadnej poprawy: antena jest od początku idealnie dostrojona. Jednak dla anteny odstrojonej, której czasy zaniku znacznie się różnią - czyli gdy τF jest kilkakrotnie większe od τw lub odwrotnie - sygnał pomocniczy ma zauważalny efekt. W zależności od jej fazy i amplitudy, proporcja pochłanianej energii może być kilkakrotnie większa w porównaniu z tą samą odstrojoną anteną w trybie pasywnym. W rzeczywistości ilość pochłoniętej energii może być tak wysoka, jak w przypadku dostrojonej anteny (patrz rysunek 3).
Rysunek 3. Wykres w (a) pokazuje, w jaki sposób różnica między mocą odbieraną a pobieraną, zwana bilansem energetycznym Σ, zależy od mocy sygnału pomocniczego dla anteny odstrojonej o τw 10 razy większej niż τF. Obszar zacieniowany na pomarańczowo obejmuje zakres możliwych przesunięć fazowych między padającą falą a sygnałem. Linia przerywana przedstawia tę samą zależność dla anteny o równych parametrach τF i τw - czyli anteny dostrojonej. Wykres (b) przedstawia współczynnik wzmocnienia - stosunek maksymalnego bilansu energetycznego Σ do bilansu energetycznego anteny odstrojonej pasywnej - jako funkcję stosunku czasów zaniku anteny τF / τw. Źródło: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Aby potwierdzić swoje obliczenia teoretyczne, naukowcy wykonali modelowanie numeryczne 5-centymetrowej anteny dipolowej podłączonej do źródła zasilania i napromieniowali ją falami 1,36 gigaherca. W tym układzie zależność bilansu energetycznego od fazy i amplitudy sygnału (rysunek 4) zasadniczo pokrywała się z przewidywaniami teoretycznymi. Co ciekawe, równowaga została zmaksymalizowana dla zerowego przesunięcia fazowego między sygnałem a padającą falą. Wyjaśnienie zaproponowane przez naukowców jest następujące: w obecności sygnału pomocniczego efektywna apertura anteny jest wzmocniona, więc gromadzi ona więcej energii propagowanej w kablu. Ten wzrost apertury jest ewidentny z wektora Poyntinga wokół anteny, który wskazuje kierunek transferu energii promieniowania elektromagnetycznego (patrz rysunek 5).
Rysunek 4. Wyniki obliczeń numerycznych dla różnych przesunięć fazowych pomiędzy padającą falą a sygnałem (porównaj rysunek 3a). Źródło: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Rysunek 5. Rozkład wektorów Poyntinga wokół anteny przy zerowym przesunięciu fazowym (po lewej) i przesunięciu fazowym o 180 stopni (po prawej). Źródło: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Oprócz symulacji numerycznych zespół przeprowadził eksperyment z dwoma adapterami współosiowymi, które służyły jako anteny mikrofalowe i były oddalone od siebie o 10 centymetrów. Jeden z adapterów emitował fale o mocy około 1 miliwata, a drugi próbował je wychwycić i przekazać energię do obwodu przez kabel koncentryczny. Gdy częstotliwość była ustawiona na 8 gigaherców, adaptery działały jako anteny dostrojone, przenosząc moc praktycznie bez strat (rysunek 6a). Jednak przy niższych częstotliwościach amplituda odbitego promieniowania gwałtownie wzrosła, a adaptery działały bardziej jak anteny odstrojone (rysunek 6b). W tym drugim przypadku naukowcom udało się prawie dziesięciokrotnie zwiększyć ilość przesyłanej energii za pomocą sygnałów pomocniczych.
Rysunek 6. Eksperymentalnie zmierzona zależność bilansu energii od przesunięcia fazowego i mocy sygnału dla anteny strojonej (a) i odstrojonej (b). Źródło: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
W listopadzie zespół naukowców, w tym Denis Baranov, teoretycznie wykazał, że przezroczysty materiał może pochłaniać większość padającego światła, jeśli przychodzący impuls światła ma odpowiednie parametry (a konkretnie amplituda musi rosnąć wykładniczo). W 2016 roku fizycy z MIPT, ITMO University i University of Texas w Austin opracowali nano-anteny, które rozpraszają światło w różnych kierunkach w zależności od jego intensywności. Mogą one służyć do tworzenia ultraszybkich kanałów transmisji i przetwarzania danych.
Źródło wiadomości: MIPT