Peneliti dan Ilmuwan dari Institut Fisika dan Teknologi Moskow dan Universitas ITMO menyajikan cara untuk meningkatkan efisiensi transfer daya nirkabel jarak jauh.
Tim peneliti dari MIPT dan ITMO University mengujinya dengan simulasi numerik dan eksperimen. Untuk mencapai ini, mereka mentransmisikan daya antara dua antena. Akibatnya, salah satu dari mereka bersemangat dengan sinyal propagasi balik dari amplitudo dan fase tertentu.
"Gagasan tentang absorber yang koheren diperkenalkan dalam makalah yang diterbitkan pada tahun 2010. Penulis menunjukkan bahwa interferensi gelombang dapat digunakan untuk mengontrol penyerapan cahaya dan radiasi elektromagnetik secara umum," kenang mahasiswa doktoral MIPT, Denis Baranov.
"Kami memutuskan untuk mencari tahu apakah proses lain, seperti perambatan gelombang elektromagnetik, dapat dikontrol dengan cara yang sama. Kami memilih untuk bekerja dengan antena untuk transfer daya nirkabel, karena sistem ini akan mendapatkan keuntungan besar dari teknologi," katanya. "Kami cukup terkejut saat mengetahui bahwa transfer daya memang dapat ditingkatkan dengan mentransmisikan sebagian daya yang diterima dari baterai pengisi daya kembali ke antena penerima."
Transfer daya nirkabel awalnya diusulkan oleh Nikola Tesla pada abad ke- 19. Ia menggunakan prinsip induksi elektromagnetik, seperti yang kita ketahui hukum Faraday mengatakan bahwa jika kumparan kedua ditempatkan di medan magnet dari kumparan pertama, ia menginduksi arus listrik pada kumparan kedua, yang dapat digunakan untuk berbagai aplikasi.
Angka. 1. Garis putus-putus medan magnet di sekitar dua kumparan induksi menggambarkan prinsip induksi elektromagnetik
Saat ini, jika kita berbicara tentang jangkauan transfer nirkabel, sebenarnya berarti tepat di atas pengisi daya. Masalahnya adalah dengan kuatnya medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan di charger berbanding terbalik dengan jarak darinya. Karena itu, transfer nirkabel hanya berfungsi dalam jarak kurang dari 3-5 sentimeter. Sebagai solusinya, memperbesar ukuran salah satu kumparan atau arus di dalamnya, namun ini berarti medan magnet yang lebih kuat berpotensi berbahaya bagi manusia di sekitar perangkat. Selain itu, ada beberapa negara yang memiliki batasan legal untuk tenaga radiasi. Seperti di Rusia, kepadatan radiasi tidak boleh melebihi 10 mikrowatt per sentimeter persegi di sekitar menara seluler.
Transmisi Daya melalui media Udara
Transfer Daya Nirkabel dimungkinkan dengan berbagai metode seperti transfer energi medan jauh, pemancaran daya, dan menggunakan dua antena, salah satunya mengirimkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik ke antena lain yang selanjutnya mengubah radiasi menjadi arus listrik. Antena pemancar tidak dapat ditingkatkan secara signifikan, karena pada dasarnya hanya menghasilkan gelombang. Antena penerima memiliki lebih banyak area untuk perbaikan. Itu tidak menyerap semua radiasi insiden tetapi memancarkan beberapa punggungnya. Secara umum, respon antena ditentukan oleh dua parameter utama: waktu peluruhan τF dan τw ke dalam radiasi ruang bebas dan ke dalam rangkaian listrik. Rasio antara kedua nilai ini menentukan seberapa besar energi yang dibawa oleh gelombang datang "diekstraksi" oleh antena penerima.
Gambar 2. Antena penerima. SF menunjukkan radiasi insiden, sedangkan sw− adalah energi yang akhirnya masuk ke rangkaian listrik dan sw + adalah sinyal tambahan. Kredit: Alex Krasnok dkk. / Surat Review Fisik
Namun, penerima mengirimkan sinyal tambahan kembali ke antena dan fase dan amplitudo sinyal cocok dengan gelombang insiden, keduanya akan mengganggu, berpotensi mengubah proporsi energi yang diekstraksi. Konfigurasi ini dibahas dalam makalah yang dilaporkan dalam cerita ini, yang ditulis oleh tim peneliti MIPT dari Denis Baranov dan dipimpin oleh Andrea Alu.
Memanfaatkan interferensi untuk memperkuat gelombang
Sebelum menerapkan konfigurasi transmisi daya yang mereka usulkan dalam sebuah eksperimen, fisikawan secara teoritis memperkirakan peningkatan apa yang bisa ditawarkan pada antena pasif biasa. Ternyata jika kondisi pencocokan konjugasi dipenuhi sejak awal, tidak ada peningkatan apa pun: Antena disetel dengan sempurna untuk memulai. Namun, untuk antena detuned yang waktu peluruhannya berbeda secara signifikan - yaitu, ketika τF beberapa kali lebih besar dari τw, atau sebaliknya - sinyal tambahan memiliki efek yang terlihat. Bergantung pada fase dan amplitudo, proporsi energi yang diserap bisa beberapa kali lebih besar dibandingkan dengan antena detuned yang sama dalam mode pasif. Faktanya, jumlah energi yang diserap bisa setinggi antena yang disetel (lihat gambar 3).
Gambar 3. Grafik di (a) menunjukkan bagaimana perbedaan antara daya yang diterima dan yang dikonsumsi, yang dikenal sebagai keseimbangan energi Σ bergantung pada daya sinyal tambahan untuk antena detuned dengan τw 10 kali lebih besar dari τF. Area berarsir oranye mencakup kisaran kemungkinan pergeseran fasa antara gelombang datang dan sinyal. Garis putus-putus mewakili ketergantungan yang sama untuk antena yang parameter τF dan τwnya sama - yaitu, antena yang disetel. Grafik (b) menunjukkan faktor peningkatan - rasio antara keseimbangan energi maksimum Σ dan keseimbangan energi antena detuned pasif - sebagai fungsi rasio antara waktu peluruhan antena τF / τw. Kredit: Alex Krasnok dkk. / Surat Review Fisik
Untuk mengkonfirmasi perhitungan teoritis mereka, para peneliti secara numerik memodelkan antena dipol sepanjang 5 sentimeter yang terhubung ke sumber daya dan menyinari dengan gelombang 1,36-gigahertz. Untuk pengaturan ini, ketergantungan keseimbangan energi pada fase sinyal dan amplitudo (gambar 4) umumnya bertepatan dengan prediksi teoritis. Menariknya, keseimbangan dimaksimalkan untuk pergeseran fase nol antara sinyal dan gelombang datang. Penjelasan yang ditawarkan oleh para peneliti adalah sebagai berikut: Dengan adanya sinyal tambahan, aperture efektif antena ditingkatkan, sehingga mengumpulkan lebih banyak energi yang merambat ke dalam kabel. Peningkatan aperture ini terlihat dari vektor Poynting di sekitar antena, yang menunjukkan arah transfer energi radiasi elektromagnetik (lihat gambar 5).
Gambar 4. Hasil perhitungan numerik untuk berbagai pergeseran fasa antara gelombang datang dan sinyal (bandingkan gambar 3a). Kredit: Alex Krasnok dkk. / Surat Review Fisik
Gambar 5. Distribusi vektor poynting di sekitar antena untuk pergeseran fasa nol (kiri) dan pergeseran fasa 180 derajat (kanan). Kredit: Alex Krasnok dkk. / Surat Review Fisik
Selain simulasi numerik, tim melakukan eksperimen dengan dua adaptor koaksial, yang berfungsi sebagai antena gelombang mikro dan ditempatkan terpisah 10 sentimeter. Salah satu adaptor memancarkan gelombang dengan kekuatan sekitar 1 miliwatt, dan yang lain mencoba mengambilnya dan mengirimkan energi ke sirkuit melalui kabel koaksial. Ketika frekuensi disetel ke 8 gigahertz, adaptor dioperasikan sebagai antena yang disetel, mentransfer daya secara praktis tanpa kehilangan (gambar 6a). Namun, pada frekuensi yang lebih rendah, amplitudo radiasi yang dipantulkan meningkat tajam, dan adaptor berfungsi lebih seperti antena yang dilepas (gambar 6b). Dalam kasus terakhir, para peneliti berhasil meningkatkan jumlah energi yang ditransmisikan hampir sepuluh kali lipat dengan bantuan sinyal tambahan.
Gambar 6. Ketergantungan keseimbangan energi yang diukur secara eksperimental pada pergeseran fasa dan daya sinyal untuk antena yang disetel (a) dan dilepas (b). Kredit: Alex Krasnok dkk. / Surat Review Fisik
Pada bulan November, tim peneliti termasuk Denis Baranov secara teoritis mendemonstrasikan bahwa bahan transparan dapat dibuat untuk menyerap sebagian besar cahaya yang datang, jika pulsa cahaya memiliki parameter yang tepat (khususnya, amplitudo harus tumbuh secara eksponensial). Kembali pada tahun 2016, fisikawan dari MIPT, ITMO University, dan University of Texas di Austin mengembangkan antena nano yang menyebarkan cahaya ke berbagai arah tergantung pada intensitasnya. Ini dapat digunakan untuk membuat saluran pemrosesan dan transmisi data sangat cepat.
Sumber Berita: MIPT