Cercetătorii și oamenii de știință de la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova și Universitatea ITMO prezintă o modalitate de a crește eficiența transferului de energie fără fir pe distanțe lungi.
Echipa de cercetători de la MIPT și Universitatea ITMO a testat-o cu simulare numerică și experimente. Pentru a realiza acest lucru, au transmis puterea între două antene. Ca rezultat, unul dintre ei a fost excitat cu un semnal de propagare înapoi de amplitudine și fază specifice.
„Noțiunea de absorbant coerent a fost introdusă într-o lucrare publicată în 2010. Autorii au arătat că interferența undelor poate fi utilizată pentru a controla absorbția luminii și a radiațiilor electromagnetice în general”, își amintește doctorandul MIPT Denis Baranov.
"Am decis să aflăm dacă alte procese, cum ar fi propagarea undelor electromagnetice, pot fi controlate în același mod. Am ales să lucrăm cu o antenă pentru transferul de energie fără fir, deoarece acest sistem ar beneficia enorm de pe urma tehnologiei", spune el. "Ei bine, am fost destul de surprinși să aflăm că transferul de energie poate fi într-adevăr îmbunătățit prin transmiterea unei părți din puterea primită de la bateria de încărcare înapoi la antena de recepție".
Transfer de energie wireless propus inițial de Nikola Tesla în secolul al XIX- lea. El a folosit principiul inducției electromagnetice, așa cum știm că legea lui Faraday spune că, dacă o a doua bobină este plasată în câmpul magnetic al primei bobine, aceasta induce un curent electric în a doua bobină, care poate fi utilizat pentru diferite aplicații.
Figura. 1. Liniile punctate ale câmpurilor magnetice din jurul a două bobine de inducție ilustrează principiul inducției electromagnetice
În zilele noastre, dacă vorbim despre gama de transfer wireless, înseamnă exact chiar în partea de sus a încărcătorului. Problema este că puterea câmpului magnetic generată de bobina din încărcător este invers proporțională cu distanța de la acesta. Din această cauză, transferul wireless funcționează numai la distanțe mai mici de 3-5 centimetri. Ca soluție la aceasta, creșterea dimensiunii uneia dintre bobine sau curent în ea, dar aceasta înseamnă pentru un câmp magnetic mai puternic, care este potențial dăunător pentru oameni din jurul dispozitivului. De asemenea, există unele țări care au limite legale în ceea ce privește puterea de radiație. La fel ca în Rusia, densitatea radiației nu trebuie să depășească 10 microviți pe centimetru pătrat în jurul turnului celular.
Puterea transmite printr-un mediu aerian
Transferul wireless de energie este posibil prin diferite metode, cum ar fi transferul de energie pe câmpuri îndepărtate, transmisia de energie și utilizarea a două antene, una dintre care trimite energie sub formă de unde electromagnetice la cealaltă, care transformă radiația în curenți electrici. Antena de transmisie nu poate fi mult îmbunătățită, deoarece practic generează doar unde. Antena de recepție are mult mai multe domenii de îmbunătățire. Nu absoarbe toată radiația incidentă, dar a radiat o parte din spate. În general, răspunsul antenei este determinat de doi parametri cheie: timpul de decădere τF și τw în radiații spațiale libere și respectiv în circuitul electric. Raportul dintre aceste două valori definește cât din energia transportată de o undă incidentă este „extrasă” de antena de recepție.
Figura 2. Antena de recepție. SF denotă radiații incidente, în timp ce sw- este energia care intră în cele din urmă în circuitul electric și sw + este semnalul auxiliar. Credit: Alex Krasnok și colab. / Physical Review Letters
Cu toate acestea, receptorul transmite un semnal auxiliar înapoi la antenă și faza și amplitudinea semnalului se potrivesc cu cele ale undei incidente, aceste două vor interfera, modificând potențial proporția de energie extrasă. Această configurație este discutată în lucrarea raportată în această poveste, care a fost scrisă de o echipă de cercetători a lui Denis Baranov a MIPT și condusă de Andrea Alu.
Exploatarea interferențelor pentru amplificarea undelor
Înainte de a implementa configurația propusă pentru transmiterea puterii într-un experiment, fizicienii au estimat teoretic ce îmbunătățiri ar putea oferi o antenă pasivă obișnuită. S-a dovedit că, dacă condiția de potrivire conjugată este îndeplinită în primul rând, nu există nicio îmbunătățire: Antena este perfect reglată pentru început. Cu toate acestea, pentru o antenă detunată ale cărei durate de descompunere diferă semnificativ - adică atunci când τF este de câteva ori mai mare decât τw sau invers, semnalul auxiliar are un efect vizibil. În funcție de fază și amplitudine, proporția de energie absorbită poate fi de câteva ori mai mare în comparație cu aceeași antenă detunată în modul pasiv. De fapt, cantitatea de energie absorbită poate ajunge la fel de mare ca cea a unei antene reglate (vezi figura 3).
Figura 3. Graficul din (a) arată modul în care diferența dintre puterea primită și cea consumată, cunoscută sub numele de echilibrul energetic Σ depinde de puterea semnalului auxiliar pentru o antenă deconectată cu τw de 10 ori mai mare decât τF. Zona umbrită portocalie acoperă gama posibilelor schimbări de fază dintre unda incidentă și semnal. Linia punctată reprezintă aceeași dependență pentru o antenă ai cărei parametri τF și τw sunt egali - adică o antenă reglată. Graficul (b) arată factorul de îmbunătățire - raportul dintre echilibrul maxim de energie Σ și echilibrul energetic al unei antene pasive detunate - în funcție de raportul dintre timpul de decădere al antenei τF / τw. Credit: Alex Krasnok și colab. / Physical Review Letters
Pentru a confirma calculele lor teoretice, cercetătorii au modelat numeric o antenă dipol lungă de 5 centimetri conectată la o sursă de energie și au iradiat-o cu unde de 1,36 gigahertz. Pentru această configurație, dependența echilibrului energetic de faza și amplitudinea semnalului (figura 4) a coincis în general cu predicțiile teoretice. Interesant este că balanța a fost maximizată pentru o schimbare de fază zero între semnal și unda incidentă. Explicația oferită de cercetători este următoarea: în prezența semnalului auxiliar, diafragma efectivă a antenei este îmbunătățită, deci colectează mai multă energie de propagare în cablu. Această creștere a diafragmei este evidentă din vectorul Poynting din jurul antenei, care indică direcția transferului de energie a radiațiilor electromagnetice (vezi figura 5).
Figura 4. Rezultatele calculelor numerice pentru diferite schimbări de fază între unda incidentă și semnal (comparați figura 3a). Credit: Alex Krasnok și colab. / Physical Review Letters
Figura 5. Distribuția vectorului Poynting în jurul antenei pentru o fază zero (stânga) și o fază de 180 grade (dreapta). Credit: Alex Krasnok și colab. / Physical Review Letters
În plus față de simulările numerice, echipa a efectuat un experiment cu doi adaptoare coaxiale, care au servit ca antene cu microunde și au fost poziționate la 10 centimetri distanță. Unul dintre adaptoare a iradiat unde cu puteri de aproximativ 1 milivatt, iar celălalt a încercat să le ridice și să transmită energia într-un circuit printr-un cablu coaxial. Când frecvența a fost setată la 8 gigahertz, adaptoarele au funcționat ca antene reglate, transferând puterea practic fără pierderi (figura 6a). La frecvențe mai mici, totuși, amplitudinea radiației reflectate a crescut brusc, iar adaptoarele au funcționat mai mult ca antenele deconectate (figura 6b). În acest din urmă caz, cercetătorii au reușit să mărească cantitatea de energie transmisă de aproape zece ori cu ajutorul semnalelor auxiliare.
Figura 6. Dependența măsurată experimental a echilibrului energetic de schimbarea de fază și puterea semnalului pentru o antenă reglată (a) și reglată (b). Credit: Alex Krasnok și colab. / Physical Review Letters
În noiembrie, o echipă de cercetători, inclusiv Denis Baranov, a demonstrat teoretic că se poate realiza un material transparent pentru a absorbi cea mai mare lumină incidentă, dacă pulsul de lumină de intrare are parametrii corecți (în mod specific, amplitudinea trebuie să crească exponențial). În 2016, fizicienii de la MIPT, Universitatea ITMO și Universitatea Texas din Austin au dezvoltat nano-antene care împrăștie lumina în direcții diferite în funcție de intensitatea acesteia. Acestea pot fi utilizate pentru a crea canale de procesare și transmisie de date ultrarapide.
Sursa de știri: MIPT