Встречный сигнал увеличил эффективность беспроводной зарядки

Международная группа ученых предложила способ повысить эффективность беспроводной передачи энергии на дальние расстояния и проверила его с помощью численного моделирования и прямых экспериментов. Для этого исследователи использовали систему двух антенн, на одну из которых направляли дополнительный сигнал, согласованный с поглощаемой волной. Статья коллектива, в состав которого вошли исследователи из МФТИ и Университета ИТМО, опубликована в Physical Review Letters.

Впервые идею беспроводной передачи энергии предложил в конце XIX века Никола Тесла — с помощью системы катушек ему удалось зажечь люминесцентную лампу и лампу накаливания, не связанные с генератором проводами и стоящие от него на некотором отдалении. Сейчас с помощью подобных несвязанных друг с другом катушек работают трансформаторы, которые встречаются в телевизорах, смартфонах и энергосберегающих лампах, а также применяются для снижения потерь в линиях электропередач. Кроме того, в последнее время аналогичную технологию стали использовать в беспроводных зарядных устройствах — достаточно положить телефон на специальный коврик или поставить электромобиль над зарядной станцией, чтобы аккумулятор устройства начал заряжаться.

У подобного способа беспроводной передачи энергии есть ряд серьезных недостатков, главный из которых состоит в том, что дальность его действия ограничена. Тем не менее, существуют альтернативные способы беспроводной передачи энергии. В таких способах используются специально сконструированные антенны, одна из которых направленно излучает электромагнитные волны, а вторая поглощает и передает их энергию в электрическую цепь. Существенно улучшить излучающую антенну нельзя, поскольку ее работа сводится только к генерации волн. А вот простор для улучшений принимающей антенны гораздо шире.

Важно отметить, что принимающая антенна не поглощает все падающее на нее излучение полностью, но частично переизлучает его обратно в пространство. Однако это справедливо только для пассивной антенны. Если же на нее будет подаваться дополнительный сигнал со стороны приемника, амплитуда и фаза которого согласованы с амплитудой и фазой падающей волны, волны станут интерферировать, и доля преобразуемой энергии может измениться. Именно такую конфигурацию рассмотрела в своей работе группа ученых под руководством Андреа Алу и при участии Дениса Баранова из МФТИ.

«В 2010 году была опубликована теоретическая работа, которая ввела в оборот понятие когерентного поглотителя, — рассказывает Денис Баранов. — В ней авторы продемонстрировали, что процессом поглощения света и электромагнитных волн вообще можно управлять путем интерференции нескольких падающих волн. Мы задались вопросом, можно ли подобным образом управлять другими процессами, например, прохождением электромагнитных волн? В качестве системы, где это было бы очень полезно, мы рассмотрели антенну для беспроводной передачи энергии. Нужно ли говорить, насколько велико было наше удивление, когда мы увидели, что передачу энергии можно улучшить, если отбирать часть энергии от приемника (скажем, заряжаемой батареи) и запускать ее назад на принимающую антенну».

Для начала физики теоретически оценили, насколько заметного усиления можно добиться по сравнению с пассивной антенной. Оказалось, что в случае хорошей настройки антенн новая схема не позволяет получить какой-либо прирост переданной энергии. Однако в случае «расстроенных» антенн дополнительный сигнал начинает оказывать заметное влияние. В зависимости от его фазы и амплитуды энергетический баланс схемы (то есть разность между полученной и затраченной энергией) может превысить энергетический баланс пассивной антенны в несколько раз и приблизиться к энергиям, воспринимаемым «настроенной» антенной.

Чтобы подтвердить теоретические расчеты, ученые численно смоделировали дипольную антенну длиной около пяти сантиметров, соединенную с источником напряжения, и направили на нее излучение с частотой около 1,36 гигагерц. Рассчитанная в такой схеме зависимость энергетического баланса от фазы и амплитуды сигнала в целом совпала с теоретическими оценками. Интересно, что максимальной возможной величины баланс достигал в том случае, если относительная фаза между сигналом и падающей волной равнялась нулю. Ученые объясняют это тем, что при подаче на антенну сигнала ее эффективная апертура (то есть собирающая способность) увеличивается, и доля поглощенной энергии растет.

Помимо численных расчетов физики поставили прямой эксперимент с двумя коаксиальными адаптерами, которые работали в качестве микроволновых антенн и находились друг от друга на отдалении около десяти сантиметров. Один из адаптеров излучал волны с энергией около одного милливатта, а второй пытался принять их и передать по коаксиальному кабелю к полезной нагрузке. На частотах более восьми гигагерц адаптеры работали как «настроенные» антенны и передавали энергию практически без потерь. Однако на меньших частотах доля отраженного излучения резко увеличивалась, и адаптеры больше напоминали «расстроенные» антенны. В этом случае с помощью дополнительных сигналов исследователям удалось увеличить количество переданной энергии практически на порядок.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.