모스크바 물리학 기술 연구소와 ITMO 대학의 연구원 및 과학자들이 장거리 무선 전력 전송의 효율성을 높이는 방법을 제시합니다.
MIPT와 ITMO 대학의 연구팀은 수치 시뮬레이션과 실험을 통해이를 테스트했습니다. 이를 달성하기 위해 두 안테나 사이에 전력을 전송했습니다. 결과적으로 그들 중 하나는 특정 진폭과 위상의 역 전파 신호로 여기되었습니다.
MIPT 박사 과정 학생 인 Denis Baranov는 "일관성 흡수기의 개념은 2010 년에 발표 된 논문에서 소개되었습니다. 저자는 일반적으로 빛과 전자기 복사의 흡수를 제어하는 데 파장 간섭이 사용될 수 있음을 보여주었습니다."라고 회상합니다.
"우리는 전자기파 전파와 같은 다른 프로세스를 동일한 방식으로 제어 할 수 있는지 알아보기로 결정했습니다.이 시스템이 기술의 큰 이점을 얻을 수 있기 때문에 무선 전력 전송을위한 안테나를 사용하기로 결정했습니다."라고 그는 말합니다. "음, 우리는 충전 배터리에서 수신 된 전력의 일부를 다시 수신 안테나로 전송함으로써 전력 전송이 실제로 향상 될 수 있다는 사실에 매우 놀랐습니다."
무선 전력 전송 원래 19 니콜라 테슬라에 의해 제안 번째 세기. 그는 전자기 유도의 원리를 사용했습니다. 패러데이의 법칙에 따르면 두 번째 코일이 첫 번째 코일의 자기장에 배치되면 두 번째 코일에 전류를 유도하여 다양한 응용 분야에 사용할 수 있습니다.
그림. 1. 두 개의 유도 코일 주위의 자기장 점선은 전자기 유도의 원리를 보여줍니다.
오늘날 무선 전송 범위에 대해 이야기하면 정확히 충전기 상단에 있음을 의미합니다. 문제는 충전기의 코일에 의해 생성 된 자기장의 강도가 거리에 반비례한다는 것입니다. 이 때문에 무선 전송은 3-5cm 미만의 거리에서만 작동합니다. 이에 대한 해결책으로 코일 또는 전류 중 하나의 크기를 늘리지 만 이는 장치 주변의 사람에게 잠재적으로 해로울 수있는 더 강한 자기장을 의미합니다. 또한 방사능에 대한 법적 제한이있는 국가도 있습니다. 러시아와 마찬가지로 방사선 밀도는 셀 타워 주변의 평방 센티미터 당 10 마이크로 와트를 초과해서는 안됩니다.
공기 매체를 통한 전력 전송
무선 전력 전송은 원거리 장 에너지 전송, 파워 빔과 같은 다양한 방법으로 가능하며, 하나는 전자기파 형태의 에너지를 다른 하나에 전송하여 방사를 전류로 더 변환하는 두 개의 안테나를 사용합니다. 송신 안테나는 기본적으로 전파를 생성하기 때문에 크게 개선 할 수 없습니다. 수신 안테나는 개선 할 영역이 훨씬 더 많습니다. 그것은 모든 입사 방사선을 흡수하지는 않지만 일부는 다시 방사합니다. 일반적으로 안테나의 응답은 두 가지 주요 매개 변수에 의해 결정됩니다. 각각 자유 공간 복사 및 전기 회로로의 감쇠 시간 τF 및 τw. 이 두 값 사이의 비율은 수신 안테나에 의해 "추출"되는 입사 파에 의해 전달되는 에너지의 양을 정의합니다.
그림 2. 수신 안테나. SF는 입사 복사를 나타내며 sw-는 궁극적으로 전기 회로로 들어가는 에너지이고 sw +는 보조 신호입니다. 출처: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
그러나 수신기는 보조 신호를 안테나로 다시 전송하고 신호의 위상과 진폭은 입사 파의 신호와 일치합니다.이 두 신호는 간섭을 일으키고 추출 된 에너지의 비율을 잠재적으로 변경합니다. 이 구성은 MIPT의 Denis Baranov 연구원 팀이 작성하고 Andrea Alu가 이끄는이 이야기에서보고 한 논문에서 논의됩니다.
전파를 증폭하기 위해 간섭을 이용
실험에서 제안 된 전력 전송 구성을 구현하기 전에 물리학 자들은 이론적으로 일반 패시브 안테나에서 제공 할 수있는 개선 사항을 추정했습니다. 처음에 conjugate 매칭 조건이 충족되면 전혀 개선이없는 것으로 밝혀졌습니다. 안테나는 처음부터 완벽하게 조정되었습니다. 그러나 감쇠 시간이 크게 다른 디 튜닝 된 안테나의 경우 (즉, τF가 τw보다 몇 배 더 크거나 그 반대의 경우) 보조 신호가 눈에 띄는 영향을 미칩니다. 위상과 진폭에 따라 흡수 된 에너지의 비율은 패시브 모드에서 동일한 디 튜닝 된 안테나에 비해 몇 배 더 클 수 있습니다. 실제로 흡수 된 에너지의 양은 튜닝 된 안테나의 양만큼 높아질 수 있습니다 (그림 3 참조).
그림 3. (a)의 그래프는 에너지 균형 Σ로 알려진 수신 전력과 소비 전력 간의 차이가 τF보다 10 배 큰 τw를 갖는 디 튜닝 된 안테나의 보조 신호 전력에 어떻게 의존하는지 보여줍니다. 주황색 음영 영역은 입사 파와 신호 사이의 가능한 위상 편이 범위를 나타냅니다. 점선은 τF 및 τw 매개 변수가 동일한 안테나, 즉 동조 된 안테나에 대한 동일한 종속성을 나타냅니다. 그래프 (b)는 안테나 감쇠 시간 τF / τw 사이의 비율 함수로서 최대 에너지 균형 Σ와 패시브 디 튜닝 된 안테나의 에너지 균형 사이의 비율 인 향상 계수를 보여줍니다. 출처: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
이론적 계산을 확인하기 위해 연구진은 전원에 연결된 5cm 길이의 쌍극 안테나를 수치 적으로 모델링하고 1.36-gigahertz 파장을 조사했습니다. 이 설정에서 신호 위상 및 진폭 (그림 4)에 대한 에너지 균형의 의존성은 일반적으로 이론적 예측과 일치했습니다. 흥미롭게도 신호와 입사 파 사이의 위상 편이가 0이되도록 균형이 최대화되었습니다. 연구원들이 제공 한 설명은 다음과 같습니다. 보조 신호의 존재에서 안테나의 유효 구경이 향상되어 더 많은 전파 에너지를 케이블로 수집합니다. 이러한 조리개 증가는 전자기 복사 에너지 전달 방향을 나타내는 안테나 주변의 Poynting 벡터에서 분명합니다 (그림 5 참조).
그림 4. 입사 파와 신호 사이의 다양한 위상 편이에 대한 수치 계산 결과 (그림 3a 비교). 출처: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
그림 5. 제로 위상 편이 (왼쪽) 및 180 도의 위상 편이 (오른쪽)에 대한 안테나 주변의 포인팅 벡터 분포. 출처: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
수치 시뮬레이션 외에도 연구팀은 마이크로파 안테나 역할을하고 10cm 떨어진 곳에 위치한 두 개의 동축 어댑터로 실험을 수행했습니다. 어댑터 중 하나는 약 1 밀리 와트의 전력으로 파동을 방출하고 다른 하나는 동축 케이블을 통해 에너지를 회로로 전달하려고 시도했습니다. 주파수가 8 기가 헤르츠로 설정되었을 때 어댑터는 튜닝 된 안테나로 작동하여 사실상 손실없이 전력을 전송했습니다 (그림 6a). 그러나 낮은 주파수에서 반사 된 방사의 진폭이 급격히 증가했으며 어댑터는 디 튜닝 된 안테나처럼 작동했습니다 (그림 6b). 후자의 경우 연구자들은 보조 신호의 도움으로 전송 된 에너지의 양을 거의 10 배까지 높일 수있었습니다.
그림 6. 튜닝 된 (a) 및 디 튜닝 된 (b) 안테나의 위상 편이 및 신호 전력에 대한 실험적으로 측정 된 에너지 균형 의존성. 출처: Alex Krasnok et al./Physical Review Letters
11 월에 Denis Baranov를 포함한 연구팀은 들어오는 빛의 펄스가 올바른 매개 변수 (특히 진폭이 기하 급수적으로 증가해야 함)를 가질 경우 대부분의 입사광을 흡수하도록 투명한 물질을 만들 수 있음을 이론적으로 입증했습니다. 2016 년에 MIPT, ITMO 대학 및 텍사스 대학의 물리학 자들은 강도에 따라 빛을 다른 방향으로 산란시키는 나노 안테나를 개발했습니다. 초고속 데이터 전송 및 처리 채널을 만드는 데 사용할 수 있습니다.
뉴스 출처: MIPT