Penyelidik dan saintis dari Institut Fizik dan Teknologi Moscow dan Universiti ITMO memberikan kaedah untuk meningkatkan kecekapan pemindahan kuasa tanpa wayar pada jarak jauh.
Pasukan penyelidik dari MIPT dan Universiti ITMO mengujinya dengan simulasi dan eksperimen berangka. Untuk mencapai ini, mereka menghantar daya antara dua antena. Hasilnya, salah satu dari mereka teruja dengan isyarat penyebaran belakang amplitud dan fasa tertentu.
"Gagasan penyerap koheren diperkenalkan dalam sebuah makalah yang diterbitkan pada tahun 2010. Penulis menunjukkan bahawa gangguan gelombang dapat digunakan untuk mengendalikan penyerapan cahaya dan radiasi elektromagnetik secara umum," kenang pelajar doktoral MIPT Denis Baranov.
"Kami memutuskan untuk mengetahui apakah proses lain, seperti penyebaran gelombang elektromagnetik, dapat dikendalikan dengan cara yang sama. Kami memilih untuk bekerja dengan antena untuk pemindahan kuasa tanpa wayar, kerana sistem ini akan mendapat banyak manfaat dari teknologi," katanya. "Baiklah, kami cukup terkejut ketika mengetahui bahawa pemindahan daya memang dapat ditingkatkan dengan mengirimkan sebagian daya yang diterima dari bateri pengisian kembali ke antena penerima."
Pemindahan kuasa tanpa wayar yang awalnya dicadangkan oleh Nikola Tesla pada abad ke- 19. Dia menggunakan prinsip induksi elektromagnetik, seperti yang kita tahu undang-undang Faraday mengatakan bahawa jika gegelung kedua diletakkan di medan magnet gegelung pertama, ia menyebabkan arus elektrik di gegelung kedua, yang dapat digunakan untuk berbagai aplikasi.
Gambar. 1. Garisan putus-putus medan magnet di sekitar dua gegelung aruhan menggambarkan prinsip aruhan elektromagnetik
Pada masa ini, jika kita bercakap mengenai rangkaian pemindahan wayarles, maksudnya tepat di bahagian atas pengecas. Masalahnya adalah dengan kekuatan medan magnet yang dihasilkan oleh gegelung di pengecas berbanding terbalik dengan jarak dari itu. Oleh kerana itu, pemindahan wayarles hanya berfungsi dalam jarak kurang dari 3-5 sentimeter. Sebagai penyelesaiannya, meningkatkan ukuran salah satu gegelung atau arus di dalamnya, tetapi ini bermaksud medan magnet yang lebih kuat yang berpotensi membahayakan manusia di sekitar peranti. Juga, ada beberapa negara yang memiliki batasan hukum pada daya radiasi. Seperti di Rusia, ketumpatan radiasi tidak boleh melebihi 10 microwatt per sentimeter persegi di sekitar menara sel.
Penghantaran Kuasa melalui medium Udara
Pemindahan Tenaga Tanpa Wayar boleh dilakukan dengan pelbagai kaedah seperti pemindahan tenaga jarak jauh, pancaran kuasa, dan menggunakan dua antena, salah satunya menghantar tenaga dalam bentuk gelombang elektromagnetik ke yang lain yang seterusnya mengubah sinaran menjadi arus elektrik. Antena pemancar tidak dapat ditingkatkan dengan baik, kerana pada dasarnya hanya menghasilkan gelombang. Antena penerima mempunyai lebih banyak bidang untuk penambahbaikan. Ia tidak menyerap semua radiasi kejadian tetapi memancarkan sebahagian dari belakang. Secara amnya, tindak balas antena ditentukan oleh dua parameter utama: masa pereputan τF dan τw ke radiasi ruang bebas dan ke litar elektrik masing-masing. Nisbah antara dua nilai ini menentukan berapa banyak tenaga yang dibawa oleh gelombang insiden "diekstraksi" oleh antena penerima.
Rajah 2. Menerima antena. SF menunjukkan sinaran kejadian, sementara sw− adalah tenaga yang akhirnya masuk ke litar elektrik dan sw + adalah isyarat tambahan. Kredit: Alex Krasnok et al./ Huruf Kajian Fizikal
Walau bagaimanapun, penerima menghantar isyarat tambahan ke antena dan fasa dan amplitud isyarat sepadan dengan gelombang kejadian, kedua-duanya akan mengganggu, berpotensi mengubah bahagian tenaga yang diekstrak. Konfigurasi ini dibincangkan dalam makalah yang dilaporkan dalam kisah ini, yang dikarang oleh pasukan penyelidik MIPT dari Denis Baranov dan diketuai oleh Andrea Alu.
Mengeksploitasi gangguan untuk menguatkan gelombang
Sebelum melaksanakan konfigurasi transmisi daya yang dicadangkan mereka dalam eksperimen, ahli fizik secara teorinya mengira peningkatan apa yang ada pada antena pasif biasa yang dapat ditawarkannya. Ternyata jika keadaan pencocokan konjugat dipenuhi sejak awal, tidak ada peningkatan sama sekali: Antena diselaraskan dengan sempurna. Walau bagaimanapun, untuk antena yang tidak berfungsi yang waktu pelanggarannya berbeza dengan ketara - iaitu, apabila τF beberapa kali lebih besar daripada τw, atau sebaliknya - isyarat tambahan mempunyai kesan yang ketara. Bergantung pada fasa dan amplitudnya, bahagian tenaga yang diserap dapat menjadi beberapa kali lebih besar dibandingkan dengan antena yang tidak aktif dalam mod pasif. Sebenarnya, jumlah tenaga yang diserap dapat mencapai setinggi antena yang diselaraskan (lihat gambar 3).
Rajah 3. Grafik di (a) menunjukkan bagaimana perbezaan antara daya yang diterima dan yang habis, yang dikenali sebagai keseimbangan tenaga Σ bergantung pada daya isyarat tambahan untuk antena yang tidak berfungsi dengan τw 10 kali lebih besar daripada τF. Kawasan berlorek oren merangkumi jarak peralihan fasa yang mungkin antara gelombang kejadian dan isyarat. Garis putus-putus mewakili kebergantungan yang sama untuk antena yang parameter τF dan τw sama - iaitu antena yang diselaraskan. Grafik (b) menunjukkan faktor peningkatan - nisbah antara keseimbangan tenaga maksimum Σ dan keseimbangan tenaga antena tak aktif pasif - sebagai fungsi dari nisbah antara masa kerosakan antena τF / τw. Kredit: Alex Krasnok et al./ Huruf Kajian Fizikal
Untuk mengesahkan pengiraan teoritis mereka, para penyelidik secara numerik memodelkan antena dipol sepanjang 5 sentimeter yang disambungkan ke sumber kuasa dan memancarkannya dengan gelombang 1,36-gigahertz. Untuk persediaan ini, pergantungan keseimbangan tenaga pada fasa isyarat dan amplitud (rajah 4) umumnya bertepatan dengan ramalan teori. Menariknya, keseimbangan dimaksimumkan untuk peralihan fasa sifar antara isyarat dan gelombang kejadian. Penjelasan yang ditawarkan oleh para penyelidik adalah seperti ini: Dengan adanya isyarat tambahan, bukaan antena yang berkesan ditingkatkan, sehingga mengumpulkan lebih banyak tenaga penyebaran ke dalam kabel. Peningkatan apertur ini dapat dilihat dari vektor Poynting di sekitar antena, yang menunjukkan arah pemindahan tenaga radiasi elektromagnetik (lihat gambar 5).
Gambar 4. Hasil pengiraan berangka untuk pelbagai peralihan fasa antara gelombang kejadian dan isyarat (bandingkan rajah 3a). Kredit: Alex Krasnok et al./ Huruf Kajian Fizikal
Rajah 5. Taburan vektor mengayun di sekitar antena untuk peralihan fasa sifar (kiri) dan peralihan fasa 180 darjah (kanan). Kredit: Alex Krasnok et al./ Huruf Kajian Fizikal
Sebagai tambahan kepada simulasi berangka, pasukan ini melakukan eksperimen dengan dua penyesuai sepaksi, yang berfungsi sebagai antena gelombang mikro dan berada pada jarak 10 sentimeter. Salah satu adaptor memancarkan gelombang dengan kekuatan sekitar 1 milliwatt, dan yang lain berusaha untuk mengambilnya dan mengirimkan tenaga ke dalam rangkaian melalui kabel sepaksi. Apabila frekuensi ditetapkan ke 8 gigahertz, penyesuai beroperasi sebagai antena yang diselaraskan, memindahkan kuasa dengan hampir tidak ada kerugian (gambar 6a). Namun, pada frekuensi yang lebih rendah, amplitud radiasi yang dipantulkan meningkat tajam, dan penyesuai berfungsi lebih seperti antena yang tidak berfungsi (gambar 6b) Dalam kes terakhir, para penyelidik berjaya meningkatkan jumlah tenaga yang dihantar hampir sepuluh kali ganda dengan bantuan isyarat tambahan.
Rajah 6. Pergantungan keseimbangan tenaga yang diukur secara eksperimen pada peralihan fasa dan kuasa isyarat untuk antena yang disetel (a) dan dilepaskan (b). Kredit: Alex Krasnok et al./ Huruf Kajian Fizikal
Pada bulan November, sekumpulan penyelidik termasuk Denis Baranov secara teorinya menunjukkan bahawa bahan lutsinar dapat dibuat untuk menyerap cahaya yang paling banyak terjadi, jika denyut cahaya yang masuk mempunyai parameter yang tepat (khususnya, amplitud harus tumbuh secara eksponensial). Kembali pada tahun 2016, ahli fizik dari MIPT, ITMO University, dan University of Texas di Austin mengembangkan nano-antena yang menyebarkan cahaya ke arah yang berbeza bergantung pada intensitinya. Ini mungkin digunakan untuk membuat saluran penghantaran dan pemprosesan data yang sangat cepat.
Sumber Berita: MIPT