莫斯科物理技术学院和ITMO大学的研究人员和科学家提出了一种提高长距离无线功率传输效率的方法。
MIPT和ITMO大学的研究人员团队通过数值模拟和实验对其进行了测试。为了实现这一目标，他们在两个天线之间传输功率。结果，其中一个被特定幅度和相位的反向传播信号激励。
MIPT的博士生Denis Baranov回忆说：“相干吸收器的概念是在2010年发表的一篇论文中介绍的。作者表明，一般可以使用波干扰来控制光和电磁辐射的吸收。”
他说：“我们决定找出是否可以用相同的方式来控制其他过程，例如电磁波传播。我们选择使用天线进行无线功率传输，因为该系统将从这项技术中受益匪浅。” “好吧，我们很惊讶地发现，通过将一部分接收到的电能从充电电池传输回接收天线，确实可以增强电能传输。”
无线电力传输最初由尼古拉·特斯拉在提出19个世纪。他使用电磁感应原理，众所周知，法拉第定律说，如果将第二个线圈放置在第一个线圈的磁场中，则会在第二个线圈中感应出电流，该电流可用于各种应用。
数字。1. 两个感应线圈周围的磁场虚线表示电磁感应的原理
如今，如果我们谈论无线传输的范围，则恰恰意味着充电器的顶部。问题在于充电器中的线圈产生的磁场强度与距其的距离成反比。因此，无线传输仅在小于3-5厘米的距离内有效。作为其解决方案，增加其中一个线圈或电流的大小，但这意味着需要更强的磁场，这可能会对设备周围的人造成伤害。另外，有些国家对辐射功率有法律限制。与俄罗斯一样，发射塔周围的辐射密度每平方厘米不得超过10微瓦。
通过空气介质传输功率
无线功率传输可以通过各种方法来实现，例如远场能量传输，功率束传输，并使用两个天线，其中一个天线以电磁波的形式向另一个天线发送能量，从而进一步将辐射转换为电流。发射天线根本无法改进，因为它基本上只会产生波。接收天线有很多需要改进的地方。它不会吸收所有入射辐射，但会向后辐射一些辐射。通常，天线的响应由两个关键参数决定：衰减时间τF和τw分别进入自由空间辐射和进入电路的时间。这两个值之间的比值定义了接收天线“提取”入射波携带的能量的多少。
图2. 接收天线。SF表示入射辐射，而sw-是最终进入电路的能量，而sw +是辅助信号。图片来源：Alex Krasnok等/《物理评论快报》
但是，接收器将辅助信号发送回天线，并且信号的相位和幅度与入射波的相位和幅度匹配，这两者将相互干扰，有可能改变提取能量的比例。此故事中报道的论文中讨论了这种配置，该论文由MIPT的Denis Baranov研究人员小组撰写，由Andrea Alu领导。
利用干扰来放大波
在实验中实现建议的功率传输配置之前，物理学家从理论上估计了常规无源天线可以提供的改进。事实证明，如果首先满足共轭匹配条件，则没有任何改善：天线完全可以调谐。但是，对于衰减时间明显不同的失谐天线（即，当τF比τw大几倍或相反时），辅助信号会产生明显的影响。取决于其相位和幅度，吸收能量的比例可能是无源模式下相同失谐天线的几倍。实际上，吸收的能量可以达到调谐天线的吸收能量（见图3）。
图3. （a）中的曲线图显示了接收功率和消耗功率之间的差（即能量平衡Σ）如何取决于τw比τF大10倍的失谐天线的辅助信号功率。橙色阴影区域覆盖了入射波和信号之间可能的相移范围。虚线表示参数τF和τw相等的天线（即调谐天线）具有相同的依赖性。图表（b）显示了增强因子-最大能量平衡Σ与无源失谐天线的能量平衡之间的比率-与天线衰减时间τF/τw之间的比率的关系。图片来源：Alex Krasnok等/《物理评论快报》
为了证实他们的理论计算，研究人员对与电源连接的5厘米长偶极天线进行了数值建模，并用1.36吉赫兹波对其进行了辐射。对于这种设置，能量平衡对信号相位和幅度的依赖性（图4）通常与理论预测相符。有趣的是，信号和入射波之间的零相移使平衡最大化。研究人员提供的解释是：在辅助信号的存在下，天线的有效孔径得到了增强，因此它将更多的传播能量收集到电缆中。从天线周围的坡印廷矢量可以明显看出孔径的增加，这表明了电磁辐射能量转移的方向（见图5）。
图4. 入射波和信号之间各种相移的数值计算结果（比较图3a）。图片来源：Alex Krasnok等/《物理评论快报》
图5. 零相移（左）和180度相移（右）时天线周围的Poynting矢量分布。图片来源：Alex Krasnok等/《物理评论快报》
除数值模拟外，该团队还用两个同轴适配器进行了实验，两个同轴适配器用作微波天线，相距10厘米。其中一个适配器发出的功率约为1毫瓦的辐射波，另一个适配器试图将其拾取并通过同轴电缆将能量传输到电路中。当频率设置为8 GHz时，适配器用作调谐天线，传输功率几乎没有损耗（图6a）。但是，在较低频率下，反射辐射的幅度急剧增加，并且适配器的功能更像失谐的天线（图6b）。在后一种情况下，研究人员设法借助辅助信号将发射能量提高了近十倍。
图6. 调谐（a）和失谐（b）天线的实验测量能量平衡对相移和信号功率的依赖性。图片来源：Alex Krasnok等/《物理评论快报》
11月，包括丹尼斯·巴拉诺夫（Denis Baranov）在内的一组研究人员从理论上证明，如果光的入射脉冲具有正确的参数（具体地说，振幅必须成指数增长），则可以制成一种透明材料来吸收大多数入射光。早在2016年，来自MIPT，ITMO大学和得克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家开发了纳米天线，它们根据光的强度将光散射到不同的方向。这些可用于创建超快速的数据传输和处理通道。
新闻来源：MIPT