Управляемые метаповерхности для беспроводных технологий

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-79-30038

НазваниеУправляемые метаповерхности для беспроводных технологий

Руководитель Капитанова Полина Вячеславовна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №53 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-608 - Инженерно-технические и информационные автоматизированные системы мониторинга биоресурсов, биосферы и технических систем

Ключевые слова метаповерхности, перестраиваемые и активные материалы, антенны, СВЧ устройства, магнитно-резонансная томография, беспроводная передача энергии, сегнетоэлектрики, миллиметровый диапазон, связанные состояния в континууме

Код ГРНТИ47.09.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Электромагнитными метаповерхностями принято называть двумерно-периодические структуры с размерами элементарных ячеек и толщиной, которые много меньше длины волны. В электромагнитном поле метаповерхности ведут себя как эффективно сплошные листы поляризации (электрической и/или магнитной), или что, одно и то же листы поверхностного тока (электрического и/или магнитного). Как правило, их электромагнитные свойства, такие как двумерная изотропия, анизотропия и бианизотропия, частотная дисперсия поверхностного импеданса, частотно-селективное поглощение, наличие поверхностных и вытекающих волн и т.д. определяются микроструктурой элементарных ячеек. Однако существуют активные метаповерхности, которые содержат внутренние источники энергии, а также такие метаповерхности, свойства которых зависят от управляющих воздействий. Анализ публикаций о метаповерхностях за различные годы показывает растущий интерес к данному направлению радиофизики в научном сообществе. Основные принципы функционирования метаповерхностей, служащих для преобразования падающих на них электромагнитных волн, распространения по ним поверхностных волн и вытекающих из них волн были, в основном, изучены в 2011-2016 гг. Работы последних лет посвящены, в основном, вопросам управления свойствами метаповерхностей и заданного преобразования ими пространственных распределений поля как в дальней (волновой) зоне, так и в ближней зоне – на электрически малых расстояниях от метаповерхности. Особенно важным направлением исследований является динамическое управление распределением поля при помощи таких управляемых метаповерхностей, свойства ячеек которых изменяются во времени под воздействием управляющих сигналов как скачкообразно, так и непрерывно, в том числе периодически. Предложенный проект, связан с исследованием, экспериментальной реализацией и применением управляемых метаповерхностей радиочастотного диапазона в важнейших развивающихся и перспективных беспроводных системах, как передачи информации, так и передачи энергии, в которых управление распределением ближнего электромагнитного поля, а также полем на расстояниях порядка длины волны от метаповерхности, может качественно улучшить их функциональность. Практические цели проекта связаны с: i) разработкой настенных метаповерхностей для оптимального распределения поля волны, падающей от базовой станции 5G на стены помещения в пределах этого помещения; ii) созданием беспроводных компактных «покрывал» для адаптивного перераспределения радиочастотного поля в теле человека, находящегося внутри магнитно-резонансного томографа; iii) созданием плоских (конформных со столешницей так называемого «умного стола») систем беспроводной зарядки сразу нескольких аккумуляторных батарей электронных устройств (гаджетов) одновременно. Управляемые метаповерхности впервые в мире будут применены нами в данных системах с целью обеспечения компактного размера устройств, а также для обеспечения высокой эффективности концентрации и управления распределениями электромагнитного поля, как в дальней, так и в ближней зонах. Вышесказанное определяет актуальность темы и практическую значимость ожидаемых результатов. Для эффективного управления формой распределения поля панируется применить новые физические механизмы возбуждения управляемых метаповерхностей и принципы их построения. К примеру, для беспроводной передачи энергии планируется реализовать и использовать активные метаповерхности со связанными состояниями континуума, а также анапольные и гибридно-анапольные состояния резонансных источников поля, относящиеся к так называемым темновым модам резонаторов. Таким образом, мы добьемся устойчивой работы передающей части беспроводной системы передачи энергии, независимо от объектов в окружающей среде, избавимся от потерь на излучение, которые препятствуют созданию таких систем на высоких частотах (до 500 МГц), а также повысим энергетический потенциал систем беспроводной передачи энергии. Мы также реализуем гиперболическую дисперсию поверхностных волн и используем ее для осуществления локализованной передачи энергии в заданном направлении. Далее, для снижения потерь и увеличения скорости управления свойствами метаповерхностей и расширения динамического диапазона их характеристик мы применим такие новые подходы, как использование сегнетоэлектрических эффектов в миллиметровом диапазоне. Это позволит применить такие метаповерхности для телекоммуникационных сетей 5G и значительно расширить их возможности. Управляемые метаповерхности, использующие какой-либо из этих физических механизмов, указанных нами научно-технических принципов и подходов не были ранее продемонстрированы. Эти необычные физические принципы и новые идеи построения управляемых метаповерхностей определяют научную новизну планируемой работы. В ходе проекта планируется не только публикация статей в ведущих журналах, но и патентование конкретных технических решений для магнитно-резонансной томографии, оборудования сетей 5G и систем беспроводной передачи энергии. Это позволит развивающемуся коллективу исследователей за время выполнения проекта получить приоритет в вышеуказанных направлениях в России и в мире и привлечь финансирования от компаний-производителей данного оборудования для дальнейшей деятельности на стадии внедрения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Эсмаил Зангане, Андрей Евлюхин, Андрей Мирошниченко, Минчжао Сонг, Елизавета Ненашева и Полина Капитанова Anapole Meta-Atoms: Nonradiating Electric and Magnetic Sources PHYSICAL REVIEW LETTERS, Том 127 Выпуск 9 Номер статьи 096804 (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevLett.127.096804

2. Алексей П. Слобожанюк, Алена В. Щелокова, Александр В. Козаченко, Ирина В. Мельчакова, Александр Ю. Е. Рааймакерс, Корнелис А.Т. ван ден Берг, Павел А. Белов и Эндрю Г. Уэбб Visualization of Metasurface Eigenmodes with Magnetic Resonance Imaging PHYSICAL REVIEW APPLIED, Том 16, Выпуск 2, Номер статьиL021002 (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevApplied.16.L021002

3. Mingzhao Song, Prasad Jayathurathnage, Esmaeel Zanganeh, Мария Красикова, Павел Смирнов, Павел Белов, Полина Капитанова, Константин Симовский, Сергей Третьяков и Алекс Краснок Wireless power transfer based on novel physical concepts NATURE ELECTRONICS, Том 4 Выпуск 10 Страниц а707-716 (год публикации - 2021)
10.1038/s41928-021-00658-x

4. Эсмаил Зангане, Минчжао Сонг, Адриа Канос Валеро, Александр С. Шалин, Елизавета Ненашева, Андрей Мирошниченко, Андрей Евлюхин и Полина Капитанова Nonradiating sources for efficient wireless power transfer NANOPHOTONICS, Том 10 Выпуск 17 Страница 4399-4408 (год публикации - 2021)
10.1515/nanoph-2021-0378

5. Олег Ермаков, Владимир Ленец, Андрей Саянский, Хуан Баэна, Энрика Мартини, Станислав Глыбовский и Стефано Маки Surface Waves on Self-Complementary Metasurfaces: All-Frequency Hyperbolicity, Extreme Canalization, and TE-TM Polarization Degeneracy PHYSICAL REVIEW X, Том 11 Выпуск 3 Номер статьи 031038 (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevX.11.031038

6. Серегин П., Кретов Е., Смолка К., Зубков М. Application of the SENSE Algorithm to Multimodal Switchable Metasurface Imaging Journal of Physics: Conference Series, 2015 012133 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2015/1/012133

7. Серегин П.С., Бурмистров О.И., Соломаха Г., Кретов Е.И., Олехно Н.А,, Слобожанюк А.П. Circularly polarized RF coil for energy harvesting in clinical MRI Journal of Physics: Conference Series, 2015 012134 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2015/1/012134

8. Занганех Э., Евлюхин А., Мирошниченко А., Капитанова П. Magnetic and Hybrid Anapole States in Dielectric Cylindrical Particles 2021 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications, ICEAA 2021, - (год публикации - 2021)
10.1109/ICEAA52647.2021.9539867

9. Белов П., Смирнов П., Филимонова Т., Раххматуллин А., Баранов Г., Сонг М., Зеленков Л., Даниловский Э., Макаров С., Капитанова П. Metasurface-Inspired Resonators for Application in One-to-Many Wireless Power Transfer Systems IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MICROWAVES, COMMUNICATIONS, ANTENNAS AND ELECTRONICS SYSTEMS, - (год публикации - 2021)

10. Саянский А., Белов А., Яфясов Р., Люлякин А., Шерстобитов А., Глыбовский С., Ляшев В. A 2D-programmable and Scalable Reconfigurable Intelligent Surface Remotely Controlled via Digital Infrared Code IEEE Transactions on Antennas and Propagation, страница 1 (год публикации - 2022)
10.1109/TAP.2022.3217327

11. Курганов Г., Добрых Д., Пухтина Е., Юсупов И., Слобожанюк А., Кившар Ю., Жирихин Д. Temperature Control of Electromagnetic Topological Edge States Applied Physics Letters, Том 120, Выпуск 23 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0096841

12. Слобожанюк А., Щелокова А., Добрых Д., Серегин П., Пауэлл Д., Шадривов И., Уэбб Э., Белов П., Лапин М. Detunable wire metasurface for applications in magnetic resonance imaging Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, issue 13, volume 86 (год публикации - 2022)

13. Серегин П., Бурмистров О., Соломаха Г., Кретов Е., Олехно Н., Слобожанюк А. Energy-Harvesting Coil for Circularly Polarized Fields in Magnetic Resonance Imaging Physical Review Applied, Том 17, Выпуск 4 (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevApplied.17.044014

14. Саянский А., Яфясов Р., Павлов В., Белов А. Application of Computer Vision to Intelligent Reflective Surface Beam Steering 16th International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena - Metamaterials 2022, X-391-X-393 (год публикации - 2022)
10.1109/METAMATERIALS54993.2022.9920826

15. Чжан Ф., Лю С., Капитанова П., Сун М., Uniform near magnetic field generated by metasurface-based resonator for wireless power transfer Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, Том 52, Номер статьи 101056 (год публикации - 2022)
10.1016/j.photonics.2022.101056

16. Гротов К., Вовчик Д., Косульников С., Горбенко И., Шапошников Л., Ладутенко К., Белов П., Гинзбург П. Genetically Designed Wire Bundle Superscatterers IEEE Transactions on Antennas and Propagation, VOL. 70, NO. 10 (год публикации - 2022)
10.1109/TAP.2022.3177531

17. Занганех И., Валеро А., Шалин А., Капитанова П., Сун М., Нанашева Е., Мирошниченко А., Евлюхин А. Anapole state as a new paradigm for highly efficient wireless power transfer 2022 Wireless Power Week, WPW 2022 - Proceedings, Страницы 44 - 47 (год публикации - 2022)
10.1109/WPW54272.2022.9853903

18. Смирнов П., Баранов Г., Филимонова Т., Цыринова А., Рахматулин А., Сун М., Зеленков Л., Даниловский Э., Макаров С., Капитанова П. One-to-Many Wireless Power Transfer Systems Using Metasurface-Inspired Resonators 2022 Wireless Power Week, WPW 2022 - Proceedings, Страницы 690 - 693 (год публикации - 2022)
10.1109/WPW54272.2022.9901329

19. Солодовченко Н., Сидоренко М., Сеидов Т., Попов И., Ненашева Е., Самусев К., Лимонов М. Cascades of Fano resonances in light scattering by dielectric particles Materials Today, Том 60, Страницы 69 - 78 (год публикации - 2022)
10.1016/j.mattod.2022.09.007

20. Буров Д., Корешин Е., Щелокова А., Серегин П. Multi-mode metasurface as a platform for the design of MRI coils and pads IEEE Xplore (год публикации - 2022)

21. Уэбб А., Щелокова А., Слобожанюк А., Живкович И., Шмидт Р. Novel materials in magnetic resonance imaging: high permittivity ceramics, metamaterials, metasurfaces and artificial dielectrics Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine, Том 35, Выпуск 6, Страницы 875 - 894 (год публикации - 2022)
10.1007/s10334-022-01007-5

22. Чжан Ф., Лю С., Капитанова П., Сун М. Uniform near magnetic field generated by metasurface-based resonator for wireless power transfer Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, Том 52 (год публикации - 2022)
10.1016/j.photonics.2022.101056

23. М. Кузьмин, Э. Занганех, Г. Баранов, А.Цыринова, П. Капитанова Experimental investigation of metasurface-based resonator for one-to-many wireless power transfer systems in the presence of foreign objects Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications, Volume 56, 101155 (год публикации - 2023)
10.1016/j.photonics.2023.101155

24. Д. Вабищевич, А. Белов, А. Саянский Suppression of Quantization Lobes in 1-Bit Reconfigurable Intelligent Surfaces IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Volume 22, Issue 12, P. 2808 - 2811 (год публикации - 2023)
10.1109/LAWP.2023.3299198

25. Д. Буров, П. Серегин. А. Щелокова, Е. Корешин Multi-mode metasurface as a receive coil for clinical magnetic resonance imaging Applied Physics Letters, 122, 261702 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0152815

26. О.Бурмистров, Н. Михайлов, Д. Дашкевич, Н. Олехно, П. Серегин Application of the transmit birdcage coil for wireless power transfer in magnetic resonance imaging Saint Petersburg OPEN 2023, 874927492, стр.146 (год публикации - 2023)

27. Р. Гапоненко, М. Сидоренко, Д. Жирихин, И. Рассказов, А. Мороз, К. Ладутенко, П. Белов, А. Щербаков Experimental demonstration of superdirective spherical dielectric antenna Journal of Applied Physics, 134,014901 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0155677

28. П. Смирнов, Е. Корешин, Г. Баранов, П. Капитанова Free-Positioning Multi-Receiver Wireless Power Transfer System Based on Metasurface IEEE Xplore, 979-8-3503-3653-5 (год публикации - 2023)
10.1109/IWS58240.2023.10222022

29. Санджиева М., Хмелевская Д., Татаринов Д., Логунов Л., Самусев К., Макаров С., Кучмижак А. Organic Solar Cells Improved by Optically Resonant Silicon Nanoparticles Nanomaterials, 12, 21 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12213916

30. А.Башарин, Э.Зангане, А.Оспанова, П.Капитанова, А.Евлюхин Selective superinvisibility effect via compound anapole PHYSICAL REVIEW B, 107, 155104 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevB.107.155104

31. Э. Занганех; П. Капитанова Development of Omnidirectional Wireless Power Transfer based on Axial Magnetic Quadrupole Mode of Dielectric Resonator 2024 IEEE Wireless Power Technology Conference and Expo (WPTCE) (год публикации - 2024)
10.1109/WPTCE59894.2024.10557292

32. Э.Занганех, З.Садриева, П.Капитанова, А.Богданов High-Q Mie resonators for refractive-index sensing Physical Review Applied, Phys. Rev. Applied 21, 024028 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevApplied.21.024028

33. Н.Михайлов; М.Абросимова; А.андалиева; М.Сиганов; П.Белов; А.Щелокова Multi-Object Charging in Room-Sized Weakly Coupled WPT System IEEE Wireless Power Technology Conference and Expo (WPTCE) (год публикации - 2024)
10.1109/WPTCE59894.2024.10557440

34. Джандалиева А., Вдовенко А., Сиганов М., Сулейман Л., Серегин П., Удров М. Design and demonstration of the volumetric resonator with uniform magnetic field distribution for wireless power transfer Proceedings of 2024 IEEE Wireless Power Technology Conference and Expo, WPTCE 2024 (год публикации - 2024)
10.1109/WPTCE59894.2024.10557310

35. А. Журавлев; И. Воропаев; А.Н. Космынин; Д. Д.Баэна; А. Саянский Comparison of High-Order Floquet Modes Frequency Behavior in Refractive Metasurfaces Synthesized With Two Different Approaches 2024 Eighteenth International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena (Metamaterials) (год публикации - 2024)
10.1109/Metamaterials62190.2024.10703244

36. ЗОЛОТАРЁВ А., БАРАНОВ Г. Д., ЦЫРИНОВА А. С., ЧАТТЕРДЖИ С., ТЕРЕНТЬЕВА П. В., ДЕМИДОВА Г. В., КАПИТАНОВА П. В. СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ ЗАРЯДКИ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА НАНОИНДУСТРИЯ, Том: 17 Номер: S10-1 (128) Год: 2024 Страницы: 90-95 (год публикации - 2024)
10.22184/1993-8578.2024.17.10s.90.95

37. А. М. Кузьмичев, П. Терентьева, П. Капитанова Review on Basic Solutions for Far-Field Wireless Power Transfer Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции «АНТЕННЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН (год публикации - 2024)

38. ЗОЛОТАРЁВ А. В., КОРЕШИН Е. А., ЦЫРИНОВА А. С., ЧАТТЕРДЖИ С., КАПИТАНОВА П. В., БАРАНОВ Г. Д. СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОГО ПИТАНИЯ ДАТЧИКОВ, СТАЦИОНАРНО УСТАНОВЛЕННЫХ В НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИНАХ НАНОИНДУСТРИЯ, Том: 17 Номер: S10-1 (128) Год: 2024 Страницы: 85-89 (год публикации - 2024)
10.22184/1993-8578.2024.17.10s.85.89

39. Бурмистров О.И., Михайлов Н.В., Дашкевич Д.С., Серегин П.С., Олехно Н.А. Wireless power transfer at a higher-order birdcage coil mode in magnetic resonance imaging PHYSICAL REVIEW APPLIED, Phys. Rev. Applied 21, 014047 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevApplied.21.014047

40. Э.Занганех; А.Корзин; П.Капитанова Miniature Wireless Power Transfer System for Charging Vertically Oriented Receivers 2024 IEEE Wireless Power Technology Conference and Expo (WPTCE) (год публикации - 2024)
10.1109/WPTCE59894.2024.10557355

41. Смирнов П.А., Мирошников А.И., Зотов Н.М., Вестфаль М., Капитанова П.В. Оптимизация передающих катушек систем беспроводной передачи энергии «один-ко-многим НАНОИНДУСТРИЯ, Том: 17 ,Номер: S10-1 (128) ,Страницы: 79-84 (год публикации - 2024)
10.22184/1993-8578.2024.17.10s.79.84

42. С. Чаттерджи, А. Золотарев., П. Терентьева., Г. Баранов., П. Капитанова Quick Estimation of Сoupling Coefficient in an Electric Vehicle Wireless Charging System Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции «АНТЕННЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН», страница 50-52 (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Первый блок работ посвящен разработке управляемых метаповерхностей для задач МРТ. Были продолжены работы, связанные с разработкой адаптивной метаповерхности (компактного "покрывала") для перераспределения радиочастотного поля внутри аппарата МРТ с постоянным полем 3 Тл, которая улучшает визуализацию органов брюшной полости пациентов. В частности коллектив проекта разработал прототип адаптивной метаповерхности, на основе результатов проведенного электромагнитного моделирования, с использованием технологии печатных плат. Показано, что при обратном смещении резонансная частота структуры близка к Ларморовой частоте, что позволяет перераспределять радиочастотное магнитное поле. При прямом смещении частота смещается вверх, уменьшая влияние подложки на радиочастотное поле аппарата МРТ. Проведены эксперименты с МР изображениями фантомов, имитирующих свойства тканей тела человека и группы добровольцев. При использовании адаптивной метаповерхности с обратным смещением величина отношения сигнал-шум увеличился на 87%, 48% и 31% для трех добровольцев, в то время как при прямом смещении значения отношения сигнал-шум остались на уровне референса. Проведенные исследования показали, что эффект стоячей волны зависит не только от индекса массы тела, но и от комплекции. Артефакт "стоячей волны" (распределение радиочастотного магнитного поля в теле) будет отличаться у пациентов с одинаковым индексом массы тела, но разными соотношениями мышечной и жировой ткани. Экспериментальные исследования подтвердили, что метаповерхность может включаться и отключаться в зависимости от наличия артефактов. Исследованы PIN-диоды, используемые в разработанных в рамках проекта управляемых метаповерхностях и стандартных радиочастотных катушках клинических аппаратов МРТ. В частности, были исследованы ВАХ диодов, влияние диодов на качество МР изображения, спектры шумов и температурная зависимость тока диода. Выявлены три характерные стадии деградации диода: на первой стадии наблюдается изменение тока диода, не превышающего 100 мА при обратном напряжении -30 В, и не более 10 мА при обратном напряжении -3 В (корректное исследование на этой стадии еще возможно), на второй стадии при обратном напряжении -3 В ток через диод превышает 10 мА, а также снижается падение напряжения при прямом смещении при неизменном токе по сравнению с исправным диодом, на третьей стадии ВАХ характеристика диода как у резистора с низким сопротивлением. На второй и третьей стадиях уже невозможно корректно проводить исследование, так как на МР изображениях проявляются дополнительные артефакты. На основе полученных результатов в будущем планируется создать систему самодиагностики управляемых метаповерхностей, которая должна включать измерение спектра шумов, а также ВАХ PIN-диодов, входящих в состав метаповерхностей, что позволит своевременно проводить техническое обслуживание устройств, и минимизировать задержки в плановых исследованиях. Второй блок работ был посвящен вопросам улучшения угловой стабильности характеристик управляемых бинарных отражательных метаповерхностей. Произведены расчеты коэффициентов отражения на центральной частоте 5,1 ГГц при двух состояниях управляющих элементов для различных углов падения в Е- и Н-плоскостях. Численно было показано, что использование композитного покрытия позволяет значительно улучшить стабильность поведения разности фаз коэффициентов отражения для двух состояний управляющих элементов при различных углах падения плоской волны. Так, например, фазовая ошибка (отличие разности фаз от 180 градусов) для угла падения 45 градусов для отражательной метаповерхности с композитным покрытием составляет 11,5 градусов. При этом без композитного покрытия фазовая ошибка составляла 68,3 градуса. Также были построены численные модели и произведены численные расчеты проходных и отражательных метаповерхностей с повышенной оптической прозрачностью. Было показано, что модуль коэффициента прохождения (для проходной метаповерхности) лежит в пределах 1 (не хуже 0,92) в диапазоне углов вплоть до 85 градусов, фаза меняется не более чем на 16 градусов. Третий блок работ был направлен на исследование характеристик систем БПЭ. В частности, был исследован прототип системы БПЭ для средств индивидуальной мобильности. Были проведены комплексные измерения DC-DC эффективности, а также получены рабочие и нагрузочные характеристики системы. Эти измерения являются ключевым этапом в оценке практической применимости и потенциала разработанной технологии. Основной целью данного этапа являлось определение фактической эффективности передачи энергии от источника питания до нагрузки, а также выявление факторов, влияющих на этот показатель. В результате проведенных измерений было установлено, что DC-DC эффективность прототипа системы БПЭ для средств индивидуальной мобильности варьируется в диапазоне от 40% до 66% в зависимости от условий эксплуатации. Максимальная зафиксированная мощность на нагрузке составила 59 Вт. Эти результаты демонстрируют работоспособность системы и ее потенциал для практического применения. Было проведено исследование влияния посторонних предметов на работу прототипа системы БПЭ для средств индивидуальной мобильности. В качестве объектов использовались металлические (алюминиевый лист, радиатор, банка) и диэлектрические (пластиковая и стеклянная бутылки). Ключевым выводом является устойчивость системы БПЭ к большинству исследованных посторонних объектов, за исключением крупных металлических объектов, перекрывающих значительную часть передатчика. Были получены результаты экспериментального исследования работоспособности системы беспроводной передачи энергии формата “Умный стол” с тремя смартфонами при наличии посторонних объектов на поверхности передатчика. В качестве посторонних объектов использовались предметы, которые могут оказаться на поверхности стола в процессе его эксплуатации - связка ключей, монеты, кружка воды и банковская карта. В результате эксперимента было установлено, что система беспроводной передачи энергии формата “Умный стол” работоспособна при наличии на её поверхности всех изучаемых посторонних объектов. Однако, было выявлено значительное влияние поверхности, на которой располагается система “Умный стол”. В частности, металлическая поверхность полностью останавливает передачу энергии к смартфонам. Для устранения данного пагубного влияния был предложен, разработан и экспериментально проверен метод экранирования электромагнитного поля передатчика системы БПЭ формата “Умный стол”. Установлено, что экранированную систему беспроводной передачи энергии формата “Умный стол” возможно использовать на различных поверхностях, в том числе и с металлическими элементами - например на столе с металлическими ножками или на полу с железобетонными перекрытиями, что делает её пригодной для использования конечным пользователем в бытовых условиях.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта по разработке управляемых метаповерхностей для МРТ могут положительно повлиять на экономику и социальную сферу России, создавая новые возможности для технологического развития, улучшения здравоохранения и повышения качества жизни граждан. В частности, предложенные в рамках проекта управляемые метаповерхности обеспечивают улучшение качества магнитно-резонансных изображений, что может привести к более точной диагностике заболеваний, особенно у пациентов с высоким индексом массы тела. Это, в свою очередь, позволит сократить время и затраты на лечение, повысив общую эффективность системы здравоохранения. Разработка адаптивных метаповерхностей и систем беспроводного питания открывает новые горизонты в области медицинских технологий, что может привести к созданию новых медицинских устройств и услуг. Это будет способствовать развитию высокотехнологичного сектора экономики и стимулировать рост спроса на оборудование и услуги в области МРТ. Интеграция метаповерхностей в стандартные приемные катушки МРТ позволит улучшить их функциональность и расширить возможности применения, что делает их более привлекательными для медицинских учреждений. Наконец, повышение качества диагностики и снижение затрат на обследование могут сделать медицинские услуги более доступными для широких слоев населения, что будет способствовать улучшению общественного здоровья и повышению качества жизни граждан. Результаты работ по разработке и исследованию управляемых бинарных отражательных метаповерхностей приводит к формированию важного научно-технического задела, который позволит улучшить характеристики систем связи пятого (5G) поколения, а также служить базисом для развития и последующего внедрения в России систем связи шестого (6G) поколения. Разработка и внедрение усовершенствованных систем беспроводной передачи энергии в России позволит решить ряд важных задач. В первую очередь повысить комфорт и удобства использования мобильных устройств и мелкой носимой электроники, такой как смарт-часов, фитнес-трекеров, пейджеров, сканеров, и пр. Отсутствие необходимости постоянного подключения к розетке освободит пользователей от ограничений, связанных с поиском источников питания. Это особенно актуально для носимой электроники и средств индивидуальной мобильности, где постоянная зарядка может быть затруднительна. Внедрение систем беспроводного заряда актуальна в промышленности для автоматизации производств, в области наблюдения и мониторинга для зарядки беспилотных летательных аппаратов, в беспилотном транспорте для беспроводной зарядки беспилотных электромобилей. Масштабирование результатов данного проекта и внедрение их в обозначенные выше промышленные направления приведет к существенному экономическому эффекту. Снижение затрат на обслуживание и замену батарей, увеличение срока службы устройств, а также повышение производительности труда – всё это является прямым следствием широкого внедрения БПЭ. В социально-экономическом плане, проект способствует формированию научных и технологических заделов, обеспечивающих экономический рост и социальное развитие России. Развитие компетенций в области беспроводных технологий позволит привлечь инвестиции в научные исследования и разработки, создать новые высокотехнологичные производства и повысить конкурентоспособность российской экономики на глобальном уровне. Кроме того, широкое внедрение беспроводных технологий способствует повышению качества жизни населения, обеспечивая комфорт и удобство использования современных медицинских систем, гаджетов и техники.