นักวิจัยและนักวิทยาศาสตร์จากสถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีแห่งมอสโกและมหาวิทยาลัย ITMO นำเสนอวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพของการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายในระยะทางไกล
ทีมนักวิจัยจาก MIPT และ ITMO University ได้ทดสอบด้วยการจำลองและการทดลองเชิงตัวเลข เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้พวกเขาส่งพลังงานระหว่างเสาอากาศสองเสา เป็นผลให้หนึ่งในนั้นรู้สึกตื่นเต้นกับสัญญาณย้อนกลับของแอมพลิจูดและเฟสที่เฉพาะเจาะจง
"แนวคิดของตัวดูดซับที่สอดคล้องกันได้รับการแนะนำในบทความที่ตีพิมพ์ในปี 2010 ผู้เขียนแสดงให้เห็นว่าการรบกวนของคลื่นสามารถใช้เพื่อควบคุมการดูดกลืนแสงและรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าโดยทั่วไป" Denis Baranov นักศึกษาปริญญาเอก MIPT เล่า
"เราตัดสินใจค้นหาว่ากระบวนการอื่น ๆ เช่นการแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถควบคุมได้ในลักษณะเดียวกันหรือไม่เราเลือกที่จะทำงานร่วมกับเสาอากาศสำหรับการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายเนื่องจากระบบนี้จะได้รับประโยชน์อย่างมากจากเทคโนโลยีนี้" เขากล่าว "เราค่อนข้างแปลกใจที่พบว่าการถ่ายโอนพลังงานสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างแท้จริงโดยการส่งพลังงานที่ได้รับส่วนหนึ่งจากแบตเตอรี่สำหรับชาร์จกลับไปที่เสาอากาศรับ"
การถ่ายโอนอำนาจไร้สายเดิมที่เสนอโดย Nikola Tesla ใน 19 THศตวรรษ เขาใช้หลักการของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างที่เราทราบกันดีว่ากฎของฟาราเดย์กล่าวว่าหากขดลวดที่สองวางอยู่ในสนามแม่เหล็กของขดลวดแรกจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในขดลวดที่สองซึ่งสามารถใช้สำหรับการใช้งานต่างๆได้
รูป. 1. เส้นประของสนามแม่เหล็กรอบขดลวดเหนี่ยวนำสองเส้นแสดงให้เห็นถึงหลักการของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า
ทุกวันนี้ถ้าเราพูดถึงช่วงของการถ่ายโอนแบบไร้สายหมายความว่าอยู่ที่ด้านบนของอุปกรณ์ชาร์จ ปัญหาคือความแรงของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากขดลวดในเครื่องชาร์จนั้นแปรผกผันกับระยะห่างจากมัน ด้วยเหตุนี้การถ่ายโอนแบบไร้สายจึงทำงานได้ในระยะที่น้อยกว่า 3-5 เซนติเมตรเท่านั้น วิธีแก้ปัญหาคือการเพิ่มขนาดของขดลวดหรือกระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวใดตัวหนึ่ง แต่หมายถึงสนามแม่เหล็กที่แรงขึ้นซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อมนุษย์รอบ ๆ อุปกรณ์ นอกจากนี้ยังมีบางประเทศที่มีกฎหมาย จำกัด อำนาจการแผ่รังสี เช่นเดียวกับในรัสเซียความหนาแน่นของรังสีไม่ควรเกิน 10 ไมโครวัตต์ต่อตารางเซนติเมตรรอบหอคอยเซลล์
ส่งพลังงานผ่านสื่ออากาศ
การถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายสามารถทำได้โดยวิธีการต่างๆเช่นการถ่ายโอนพลังงานจากสนามไกลการส่งพลังงานและใช้เสาอากาศสองเสาซึ่งเสาหนึ่งจะส่งพลังงานในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปยังอีกขั้วหนึ่งซึ่งจะแปลงรังสีเป็นกระแสไฟฟ้าต่อไป ไม่สามารถปรับปรุงเสาอากาศส่งสัญญาณได้มากนักเพราะโดยพื้นฐานแล้วจะสร้างคลื่น เสาอากาศรับสัญญาณมีพื้นที่สำหรับการปรับปรุงมากขึ้น มันไม่ดูดซับรังสีที่ตกกระทบทั้งหมด แต่แผ่รังสีบางส่วนกลับมา โดยทั่วไปการตอบสนองของเสาอากาศจะพิจารณาจากพารามิเตอร์สำคัญสองประการคือเวลาสลายตัวτFและτwในการแผ่รังสีในอวกาศและในวงจรไฟฟ้าตามลำดับ อัตราส่วนระหว่างค่าทั้งสองนี้จะกำหนดปริมาณพลังงานที่คลื่นตกกระทบ "สกัด" โดยเสาอากาศรับ
รูปที่ 2. เสาอากาศรับ SF หมายถึงรังสีที่ตกกระทบในขณะที่ sw− คือพลังงานที่เข้าไปในวงจรไฟฟ้าในที่สุดและ sw + เป็นสัญญาณเสริม เครดิต: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
อย่างไรก็ตามเครื่องรับจะส่งสัญญาณเสริมกลับไปที่เสาอากาศและเฟสและความกว้างของสัญญาณที่ตรงกับคลื่นที่ตกกระทบทั้งสองอย่างนี้จะรบกวนซึ่งอาจทำให้สัดส่วนของพลังงานที่สกัดได้ การกำหนดค่านี้จะกล่าวถึงในบทความที่รายงานในเรื่องนี้ซึ่งเขียนโดยทีมนักวิจัยของ Denis Baranov ของ MIPT และนำโดย Andrea Alu
ใช้ประโยชน์จากการรบกวนเพื่อขยายคลื่น
ก่อนที่จะใช้การกำหนดค่าการส่งกำลังที่เสนอไว้ในการทดลองนักฟิสิกส์ได้คาดการณ์ในทางทฤษฎีว่าเสาอากาศแบบพาสซีฟทั่วไปจะมีอะไรดีขึ้น ปรากฎว่าหากตรงตามเงื่อนไขการจับคู่คอนจูเกตตั้งแต่แรกจะไม่มีการปรับปรุงใด ๆ: เสาอากาศได้รับการปรับแต่งอย่างสมบูรณ์เพื่อเริ่มต้นด้วย อย่างไรก็ตามสำหรับเสาอากาศแบบ detuned ซึ่งเวลาในการสลายตัวแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญนั่นคือเมื่อτFมีขนาดใหญ่กว่าτwหลายเท่าหรือในทางกลับกันสัญญาณเสริมจะมีผลอย่างเห็นได้ชัด ขึ้นอยู่กับเฟสและแอมพลิจูดสัดส่วนของพลังงานที่ดูดซับอาจมากกว่าหลายเท่าเมื่อเทียบกับเสาอากาศที่แยกออกจากกันในโหมดพาสซีฟ ในความเป็นจริงปริมาณของพลังงานที่ดูดซับจะสูงเท่ากับของเสาอากาศแบบปรับได้ (ดูรูปที่ 3)
รูปที่ 3 กราฟใน (a) แสดงให้เห็นว่าความแตกต่างระหว่างพลังงานที่ได้รับและพลังงานที่ใช้หรือที่เรียกว่าสมดุลของพลังงานΣขึ้นอยู่กับกำลังสัญญาณเสริมสำหรับเสาอากาศแบบ detuned ที่มีτwมากกว่าτF 10 เท่า พื้นที่แรเงาสีส้มครอบคลุมช่วงของการเปลี่ยนเฟสที่เป็นไปได้ระหว่างคลื่นตกกระทบและสัญญาณ เส้นประแสดงถึงการพึ่งพาเดียวกันสำหรับเสาอากาศที่มีพารามิเตอร์τFและτwเท่ากันนั่นคือเสาอากาศที่ปรับแล้ว กราฟ (b) แสดงปัจจัยการเพิ่มประสิทธิภาพ - อัตราส่วนระหว่างความสมดุลของพลังงานสูงสุด balance และสมดุลพลังงานของเสาอากาศแบบพาสซีฟแบบ detuned - เป็นฟังก์ชันของอัตราส่วนระหว่างเวลาการสลายตัวของเสาอากาศτF / τw เครดิต: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
เพื่อยืนยันการคำนวณทางทฤษฎีของพวกเขานักวิจัยได้จำลองเสาอากาศไดโพลยาว 5 เซนติเมตรที่เชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานและฉายรังสีด้วยคลื่น 1.36 กิกะเฮิรตซ์ สำหรับการตั้งค่านี้การพึ่งพาความสมดุลของพลังงานกับเฟสสัญญาณและแอมพลิจูด (รูปที่ 4) โดยทั่วไปจะตรงกับการคาดการณ์ทางทฤษฎี ที่น่าสนใจคือความสมดุลถูกขยายให้ใหญ่ที่สุดสำหรับการเปลี่ยนเฟสเป็นศูนย์ระหว่างสัญญาณและคลื่นตกกระทบ คำอธิบายที่นำเสนอโดยนักวิจัยมีดังนี้: ในpresenсeของสัญญาณเสริมรูรับแสงที่มีประสิทธิภาพของเสาอากาศจะเพิ่มขึ้นดังนั้นจึงรวบรวมพลังงานที่แพร่กระจายเข้าสู่สายเคเบิลได้มากขึ้น รูรับแสงที่เพิ่มขึ้นนี้เห็นได้ชัดจากเวกเตอร์ Poynting รอบเสาอากาศซึ่งระบุทิศทางของการถ่ายเทพลังงานรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (ดูรูปที่ 5)
รูปที่ 4. ผลลัพธ์ของการคำนวณตัวเลขสำหรับการเปลี่ยนเฟสต่างๆระหว่างคลื่นตกกระทบและสัญญาณ (เปรียบเทียบรูปที่ 3a) เครดิต: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
รูปที่ 5. การกระจายเวกเตอร์ Poynting รอบเสาอากาศสำหรับการเปลี่ยนเฟสเป็นศูนย์ (ซ้าย) และการเลื่อนเฟส 180 องศา (ขวา) เครดิต: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
นอกเหนือจากการจำลองเชิงตัวเลขแล้วทีมงานได้ทำการทดลองกับอะแดปเตอร์โคแอกเซียลสองตัวซึ่งทำหน้าที่เป็นเสาอากาศไมโครเวฟและอยู่ห่างกัน 10 เซนติเมตร อะแดปเตอร์ตัวหนึ่งแผ่คลื่นออกมาโดยมีกำลังรอบ 1 มิลลิวัตต์และอีกตัวพยายามที่จะรับและส่งพลังงานเข้าสู่วงจรผ่านสายโคแอกเชียล เมื่อตั้งค่าความถี่ไว้ที่ 8 กิกะเฮิรตซ์อะแดปเตอร์จะทำงานเป็นเสาอากาศที่ได้รับการปรับจูนโดยจะถ่ายโอนพลังงานโดยไม่มีการสูญเสียจริง (รูปที่ 6a) อย่างไรก็ตามที่ความถี่ต่ำความกว้างของรังสีสะท้อนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและอะแดปเตอร์ทำหน้าที่เหมือนเสาอากาศที่แยกออกจากกัน (รูปที่ 6b) ในกรณีหลังนี้นักวิจัยสามารถเพิ่มปริมาณพลังงานที่ส่งผ่านได้เกือบสิบเท่าด้วยความช่วยเหลือของสัญญาณเสริม
รูปที่ 6 ความสมดุลของพลังงานที่วัดได้จากการทดลองขึ้นอยู่กับการกะระยะและกำลังสัญญาณสำหรับเสาอากาศที่ปรับ (a) และ detuned (b) เครดิต: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
ในเดือนพฤศจิกายนทีมนักวิจัยรวมถึง Denis Baranov ได้แสดงให้เห็นในทางทฤษฎีว่าสามารถสร้างวัสดุโปร่งใสเพื่อดูดซับแสงที่ตกกระทบได้มากที่สุดหากชีพจรของแสงที่เข้ามามีพารามิเตอร์ที่ถูกต้อง (โดยเฉพาะแอมพลิจูดต้องเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ) ย้อนกลับไปในปี 2559 นักฟิสิกส์จาก MIPT มหาวิทยาลัย ITMO และมหาวิทยาลัยเท็กซัสออสตินได้พัฒนาเสาอากาศนาโนที่กระจายแสงในทิศทางต่างๆโดยขึ้นอยู่กับความเข้มของมัน สิ่งเหล่านี้อาจใช้เพื่อสร้างช่องทางการส่งและประมวลผลข้อมูลที่เร็วมาก
แหล่งข่าว: MIPT