Các nhà nghiên cứu và nhà khoa học từ Viện Vật lý và Công nghệ Matxcova và Đại học ITMO trình bày một cách để tăng hiệu quả truyền tải điện không dây trên khoảng cách xa.
Nhóm các nhà nghiên cứu từ MIPT và Đại học ITMO đã thử nghiệm nó bằng các thí nghiệm và mô phỏng số. Để đạt được điều này, họ đã truyền công suất giữa hai ăng-ten. Kết quả là một trong số họ bị kích thích với tín hiệu lan truyền ngược có biên độ và pha cụ thể.
“Khái niệm về chất hấp thụ kết hợp đã được đưa ra trong một bài báo xuất bản vào năm 2010. Các tác giả đã chỉ ra rằng giao thoa sóng có thể được sử dụng để kiểm soát sự hấp thụ ánh sáng và bức xạ điện từ nói chung,” nghiên cứu sinh tiến sĩ của MIPT Denis Baranov nhớ lại.
Ông nói: "Chúng tôi quyết định tìm hiểu xem các quá trình khác, chẳng hạn như truyền sóng điện từ, có thể được kiểm soát theo cách tương tự hay không. Chúng tôi chọn làm việc với một ăng-ten để truyền điện không dây, bởi vì hệ thống này sẽ được hưởng lợi rất nhiều từ công nghệ". "Chà, chúng tôi khá ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng việc truyền điện thực sự có thể được tăng cường bằng cách truyền một phần năng lượng nhận được từ pin sạc trở lại ăng-ten nhận."
Chuyển giao quyền lực không dây ban đầu bởi Nikola Tesla dự kiến trong 19 ngày Century. Ông đã sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ, như chúng ta biết định luật Faraday nói rằng nếu cuộn thứ hai được đặt trong từ trường của cuộn thứ nhất, nó sẽ tạo ra dòng điện trong cuộn thứ hai, có thể được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau.
Nhân vật. 1. Đường nét đứt của từ trường xung quanh hai cuộn dây cảm ứng minh họa cho nguyên lý cảm ứng điện từ
Ngày nay, nếu chúng ta nói về phạm vi truyền không dây, chính xác có nghĩa là ngay trên đầu bộ sạc. Vấn đề là cường độ từ trường tạo ra bởi cuộn dây trong bộ sạc tỷ lệ nghịch với khoảng cách từ nó. Do đó, việc truyền không dây chỉ hoạt động trong khoảng cách dưới 3-5 cm. Giải pháp cho nó là tăng kích thước của một trong các cuộn dây hoặc dòng điện trong đó, nhưng điều này có nghĩa là tạo ra từ trường mạnh hơn, có khả năng gây hại cho con người xung quanh thiết bị. Ngoài ra, có một số quốc gia có giới hạn pháp lý về công suất bức xạ. Giống như ở Nga, mật độ bức xạ không được vượt quá 10 microwatts trên một cm vuông xung quanh tháp di động.
Truyền điện qua môi trường không khí
Truyền điện không dây có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như truyền năng lượng trường xa, truyền tia lửa điện và sử dụng hai ăng-ten, một trong số đó gửi năng lượng dưới dạng sóng điện từ đến ăng-ten còn lại chuyển đổi bức xạ thành dòng điện. Ăng-ten phát không thể được cải thiện nhiều, vì về cơ bản nó chỉ tạo ra sóng. Ăng ten thu có nhiều khu vực hơn để cải thiện. Nó không hấp thụ tất cả bức xạ tới nhưng bức xạ một phần ngược lại. Nói chung, đáp ứng của anten được xác định bởi hai tham số chính: thời gian phân rã τF và τw thành bức xạ không gian tự do và vào mạch điện tương ứng. Tỷ số giữa hai giá trị này xác định lượng năng lượng được mang bởi sóng tới được "chiết xuất" bởi ăng ten thu.
Hình 2. Anten thu. SF biểu thị bức xạ tới, trong khi sw - là năng lượng cuối cùng đi vào mạch điện và sw + là tín hiệu phụ. Tín dụng: Alex Krasnok và cộng sự. / Thư đánh giá vật lý
Tuy nhiên, máy thu truyền tín hiệu phụ trở lại ăng-ten và pha và biên độ của tín hiệu khớp với sóng tới, hai tín hiệu này sẽ gây nhiễu, có khả năng làm thay đổi tỷ lệ năng lượng chiết xuất. Cấu hình này được thảo luận trong bài báo được báo cáo trong câu chuyện này, được tác giả bởi một nhóm các nhà nghiên cứu của MIPT của Denis Baranov và do Andrea Alu dẫn đầu.
Khai thác nhiễu để khuếch đại sóng
Trước khi thực hiện cấu hình truyền công suất được đề xuất của họ trong một thí nghiệm, các nhà vật lý đã ước tính về mặt lý thuyết những cải tiến đối với một ăng-ten thụ động thông thường mà nó có thể mang lại. Nó chỉ ra rằng nếu điều kiện kết hợp liên hợp được đáp ứng ngay từ đầu, không có cải thiện nào: Ăng-ten được điều chỉnh hoàn hảo từ đầu. Tuy nhiên, đối với một ăng-ten bị tách sóng có thời gian phân rã khác nhau đáng kể - tức là khi τF lớn hơn τw vài lần, hoặc ngược lại - thì tín hiệu phụ có ảnh hưởng đáng chú ý. Tùy thuộc vào pha và biên độ của nó, tỷ lệ năng lượng hấp thụ có thể lớn hơn vài lần so với ăng ten được tách ra ở cùng chế độ thụ động. Trên thực tế, lượng năng lượng được hấp thụ có thể cao bằng năng lượng của một ăng-ten được điều chỉnh (xem hình 3).
Hình 3. Đồ thị trong (a) cho thấy sự khác biệt giữa công suất nhận và công suất tiêu thụ, được gọi là cân bằng năng lượng Σ phụ thuộc vào công suất tín hiệu phụ đối với ăng ten tách rời có τw lớn hơn 10 lần so với τF. Vùng tô bóng màu cam bao gồm phạm vi dịch pha có thể có giữa sóng tới và tín hiệu. Đường đứt nét biểu thị sự phụ thuộc giống nhau đối với một anten có các tham số τF và τw bằng nhau - nghĩa là một anten đã được điều chỉnh. Đồ thị (b) cho thấy hệ số nâng cao - tỷ số giữa cân bằng năng lượng cực đại Σ và cân bằng năng lượng của một ăng ten bị tách rời thụ động - dưới dạng hàm của tỷ số giữa thời gian phân rã của ăng ten τF / τw. Tín dụng: Alex Krasnok và cộng sự. / Thư đánh giá vật lý
Để xác nhận các tính toán lý thuyết của họ, các nhà nghiên cứu đã lập mô hình số một ăng ten lưỡng cực dài 5 cm được kết nối với nguồn điện và chiếu xạ nó bằng sóng 1,36 gigahertz. Đối với thiết lập này, sự phụ thuộc của cân bằng năng lượng vào pha và biên độ tín hiệu (hình 4) thường trùng với các dự đoán lý thuyết. Điều thú vị là, sự cân bằng đã được tối đa hóa cho độ lệch pha 0 giữa tín hiệu và sóng tới. Giải thích được các nhà nghiên cứu đưa ra là: Trong thời gian trước của tín hiệu phụ, khẩu độ hiệu dụng của ăng-ten được tăng cường, do đó nó thu năng lượng truyền vào cáp nhiều hơn. Sự gia tăng khẩu độ này thể hiện rõ ràng từ vectơ Poynting xung quanh ăng-ten, cho biết hướng truyền năng lượng bức xạ điện từ (xem hình 5).
Hình 4. Kết quả tính toán số cho các dịch pha khác nhau giữa sóng tới và tín hiệu (so sánh hình 3a). Tín dụng: Alex Krasnok và cộng sự. / Thư đánh giá vật lý
Hình 5. Sự phân bố vectơ Poynting xung quanh ăng-ten đối với dịch chuyển pha 0 (trái) và lệch pha 180 độ (phải). Tín dụng: Alex Krasnok và cộng sự. / Thư đánh giá vật lý
Ngoài các mô phỏng số, nhóm đã thực hiện một thử nghiệm với hai bộ điều hợp đồng trục, chúng hoạt động như ăng-ten vi sóng và được đặt cách nhau 10 cm. Một trong các bộ điều hợp đã phát ra các sóng có công suất khoảng 1 miliwatt và bộ điều hợp kia cố gắng thu nhận chúng và truyền năng lượng vào mạch thông qua cáp đồng trục. Khi tần số được đặt thành 8 gigahertz, các bộ điều hợp hoạt động như một ăng-ten được điều chỉnh, truyền tải điện năng mà thực tế không có suy hao (hình 6a). Tuy nhiên, ở các tần số thấp hơn, biên độ của bức xạ phản xạ tăng mạnh và các bộ điều hợp hoạt động giống như các ăng-ten được tách ra (hình 6b). Trong trường hợp thứ hai, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tăng lượng năng lượng truyền lên gần gấp mười lần với sự trợ giúp của các tín hiệu phụ trợ.
Hình 6. Sự phụ thuộc cân bằng năng lượng đo được bằng thực nghiệm vào độ lệch pha và công suất tín hiệu đối với ăng ten điều chỉnh (a) và điều chỉnh (b). Tín dụng: Alex Krasnok và cộng sự. / Thư đánh giá vật lý
Vào tháng 11, một nhóm các nhà nghiên cứu bao gồm Denis Baranov về mặt lý thuyết đã chứng minh rằng một vật liệu trong suốt có thể được tạo ra để hấp thụ hầu hết ánh sáng tới, nếu xung ánh sáng tới có các tham số phù hợp (cụ thể là biên độ phải tăng theo cấp số nhân). Trở lại năm 2016, các nhà vật lý từ MIPT, Đại học ITMO và Đại học Texas ở Austin đã phát triển ăng-ten nano phân tán ánh sáng theo các hướng khác nhau tùy thuộc vào cường độ của nó. Chúng có thể được sử dụng để tạo các kênh truyền và xử lý dữ liệu cực nhanh.
Nguồn tin tức: MIPT