Forskare och forskare från Moscow Institute of Physics and Technology och ITMO University presenterar ett sätt att öka effektiviteten för trådlös kraftöverföring över långa avstånd.
Team av forskare från MIPT och ITMO University testade det med numerisk simulering och experiment. För att uppnå detta överförde de strömmen mellan två antenner. Som ett resultat var en av dem upphetsad med en bakåt-förökande signal med specifik amplitud och fas.
"Begreppet en sammanhängande absorberare introducerades i en uppsats som publicerades 2010. Författarna visade att våginterferens kan användas för att kontrollera absorptionen av ljus och elektromagnetisk strålning i allmänhet", påminner MIPT-doktorand Denis Baranov.
"Vi bestämde oss för att ta reda på om andra processer, såsom elektromagnetisk vågutbredning, kan kontrolleras på samma sätt. Vi valde att arbeta med en antenn för trådlös kraftöverföring, eftersom detta system skulle ha stor nytta av tekniken", säger han. "Tja, vi blev ganska förvånade över att ta reda på att kraftöverföringen verkligen kan förbättras genom att överföra en del av mottagen ström från laddningsbatteriet tillbaka till den mottagande antennen."
Trådlös kraftöverföring som ursprungligen föreslogs av Nikola Tesla på 1800- talet. Han använde principen om elektromagnetisk induktion, som vi vet Faradays lag säger att om en andra spole placeras i magnetfältet i den första spolen, inducerar den en elektrisk ström i den andra spolen, som kan användas för olika applikationer.
Figur. 1. Streckade linjer i magnetfältet runt två induktionsspolar illustrerar principen för elektromagnetisk induktion
Numera, om vi pratar om utbudet av trådlös överföring, betyder det exakt högst upp på laddaren. Problemet är att styrkan hos magnetfältet som genereras av spolen i laddaren är omvänt proportionell mot avståndet från den. På grund av detta fungerar den trådlösa överföringen bara på mindre än 3-5 centimeter. Som en lösning på det ökar du storleken på en av spolarna eller strömmen i den, men det betyder för ett starkare magnetfält som är potentiellt skadligt för människor runt enheten. Det finns också vissa länder som har lagliga gränser för strålningskraft. Liksom i Ryssland bör strålningstätheten inte överstiga 10 mikrowatt per kvadratcentimeter runt celltornet.
Kraftöverföring via ett luftmedium
Trådlös kraftöverföring är möjlig med olika metoder som fjärrfälts energiöverföring, strålning och användning av två antenner, varav den ena skickar energi i form av elektromagnetiska vågor till den andra som ytterligare omvandlar strålning till elektriska strömmar. Den sändande antennen kan inte förbättras kraftigt, för den genererar i princip bara vågor. Mottagningsantennen har mycket fler områden för förbättring. Den absorberar inte all infallande strålning men strålade ut en del av den. Generellt bestäms antennsvaret av två viktiga parametrar: sönderfallstiden τF och τw i strålning i fritt utrymme respektive i den elektriska kretsen. Förhållandet mellan dessa två värden definierar hur mycket av energin som bärs av en infallande våg som "extraheras" av den mottagande antennen.
Figur 2. Mottagningsantenn. SF betecknar infallande strålning, medan sw− är den energi som i slutändan går in i den elektriska kretsen och sw + är hjälpsignalen. Kredit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Mottagaren sänder emellertid en hjälpsignal tillbaka till antennen och signalens fas och amplitud matchar de för den infallande vågen, dessa två kommer att störa och potentiellt förändra andelen extraherad energi. Denna konfiguration diskuteras i tidningen som rapporterades i den här historien, som författades av ett MIPT-team av forskare från Denis Baranov och leddes av Andrea Alu.
Utnyttja störningar för att förstärka vågorna
Innan fysiologerna implementerade sin föreslagna kraftöverföringskonfiguration uppskattade fysikerna teoretiskt vilken förbättring av en vanlig passiv antenn den kunde erbjuda. Det visade sig att om det konjugerade matchningsvillkoret uppfylls i första hand finns det ingen förbättring alls: Antennen är perfekt inställd till att börja med. För en avstängd antenn vars sönderfallstid skiljer sig väsentligt - det vill säga när τF är flera gånger större än τw, eller tvärtom - har hjälpsignalen en märkbar effekt. Beroende på dess fas och amplitud kan andelen absorberad energi vara flera gånger större jämfört med samma avstängda antenn i passivt läge. Faktum är att mängden absorberad energi kan bli lika hög som en inställd antenn (se figur 3).
Figur 3. Diagrammet i (a) visar hur skillnaden mellan mottagen och förbrukad effekt, känd som energibalansen Σ, beror på extra signaleffekt för en avstängd antenn med τw 10 gånger större än τF. Det orange skuggade området täcker intervallet för möjliga fasförskjutningar mellan den infallande vågen och signalen. Den streckade linjen representerar samma beroende för en antenn vars τF- och τw-parametrar är lika - det vill säga en avstämd antenn. Diagram (b) visar förstärkningsfaktorn - förhållandet mellan den maximala energibalansen Σ och energibalansen hos en passiv avstängd antenn - som en funktion av förhållandet mellan antennens sönderfallstider τF / τw. Kredit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
För att bekräfta sina teoretiska beräkningar modellerade forskarna numeriskt en 5 centimeter lång dipolantenn ansluten till en strömkälla och bestrålade den med 1,36-gigahertz-vågor. För denna inställning sammanföll beroendet av energibalansen på signalfas och amplitud (figur 4) i allmänhet med de teoretiska förutsägelserna. Intressant var att balansen maximerades för en nollfasförskjutning mellan signalen och den infallande vågen. Förklaringarna från forskarna är följande: I närvaro av hjälpsignalen förbättras antennens effektiva bländare så att den samlar mer förökande energi i kabeln. Denna ökning av bländaren framgår av Poynting-vektorn runt antennen, vilket indikerar riktningen för överföring av elektromagnetisk strålningsenergi (se figur 5).
Figur 4. Resultat av numeriska beräkningar för olika fasförskjutningar mellan den infallande vågen och signalen (jämför figur 3a). Kredit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Figur 5. Poynting vektorfördelning runt antennen för en nollfasförskjutning (vänster) och en fasförskjutning på 180 grader (höger). Kredit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
Förutom numeriska simuleringar utförde laget ett experiment med två koaxialadaptrar, som fungerade som mikrovågsantenner och var placerade 10 centimeter från varandra. En av adaptrarna utstrålade vågor med effekt runt 1 milliwatt, och den andra försökte plocka upp dem och överföra energin till en krets via en koaxialkabel. När frekvensen var inställd på 8 gigahertz fungerade adaptrarna som avstämda antenner och överförde kraften med praktiskt taget inga förluster (figur 6a). Vid lägre frekvenser ökade emellertid amplituden för reflekterad strålning kraftigt, och adaptrarna fungerade mer som avstängda antenner (figur 6b). I det senare fallet lyckades forskarna öka mängden överförd energi nästan tio gånger med hjälp av hjälpsignaler.
Figur 6. Experimentellt uppmätt energibalansberoende av fasförskjutning och signaleffekt för en avstämd (a) och avstängd (b) antenn. Kredit: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
I november visade ett team av forskare inklusive Denis Baranov teoretiskt att ett transparent material kan göras för att absorbera mest infallande ljus, om den inkommande ljuspulsen har rätt parametrar (specifikt måste amplituden växa exponentiellt). Tillbaka 2016 utvecklade fysiker från MIPT, ITMO University och University of Texas i Austin nano-antenner som sprider ljus i olika riktningar beroende på dess intensitet. Dessa kan användas för att skapa snabba dataöverförings- och bearbetningskanaler.
Nyhetskälla: MIPT