Анапольные состояния в структурах с высоким показателем преломления и их применения для систем беспроводной передачи энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Занганех Эсмаил

• Занганех Эсмаил
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Занганех Эсмаил

CONTENTS

Реферат

Synopsis

1. Introduction

2. Anapole states in the plane-wave scattering by dielectric particles

2.1 Magnetic anapole state of long dielectric cylinder

2.2 Hybrid anapole state of silicon nano-disk

2.3 Chapter summary

3. Nonradiating sources based on anapole states

3.1 NR electric source

3.2 NR magnetic source

3.3 Chapter summary

4. Efficient wireless power transfer based on nonradiating sources

4.1 NR source based on hybrid anapole state

4.2 NR-WPT system

4.3 Chapter summary

Conclusion

List of abbreviations

Bibliography

Publications

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анапольные состояния в структурах с высоким показателем преломления и их применения для систем беспроводной передачи энергии»

Реферат

Общая характеристика работы Актуальность. В настоящее время активно развиваются технологии беспроводной передачи энергии (БПЭ) [ 1]—[26]. Они уже находят применение во многих приложениях с низкой и высокой мощностью потребления, включая зарядку медицинских имплантов и кардиостимуляторов, носимой электроники, средств индивидуальной мобильности и электромобилей [1], [2], [27]. Методы БПЭ принято разделять на ближнепольные и дальнопольные. К ближнепольным методам можно отнести индуктивную передачу энергии (ИПЭ), магнитно-резонансную передачу энергии (МРПЭ), емкостную передачу энергии (ЕПЭ). Передача энергии в дальнюю зону осуществляется с помощью распространяющихся электромагнитных волн [28].

Широкое применение получил метод ИПЭ. Он основан на взаимной магнитной индукции между двумя близко расположенными катушками, часто называемыми передатчик и приемник [1]. По закону Ампера переменный ток в катушке передатчика создает осциллирующее магнитное поле. Как только магнитное поле проходит через приемную катушку, переменное напряжение индуцируется по закону индукции Фарадея. Это индуцированное напряжение создает переменный ток в катушке приемника. Однако, данный метод имеет ряд ограничений, самое главное из которых - это малое расстояние передачи энергии с высокой эффективностью.

Для увеличения расстояния между передатчиком и приёмником с сохранением высокой эффективности передачи энергии (ЭПЭ) был предложен метод МРПЭ) [29], обеспечивающий перенос энергии за счет ближнего магнитного поля. Для этого к катушкам передатчика и приемника были добавлены емкостные элементы, образуя тем самым два связанных колебательных контура. Экспериментально на частоте 10 МГц было показано, что в режиме сильной связи между двумя колебательными контурами можно достигнуть ЭПЭ 40% на расстоянии между резонансными катушками 2 м [30]. Однако этот метод БПЭ по-прежнему страдает

от высоких омических потерь в металлах проводников резонансных катушек и потерь на излучение в дальнюю зону [31]. Кроме этого, он чувствителен к взаимному расположению катушек: если происходит смещение одной катушки относительно другой, то ЭПЭ резко падает.

Методы, описанные выше, используют магнитное поле для передачи энергии, но мощность можно передавать и через колеблющиеся электрические поля и емкостную связь между металлическими пластинами [32]. Именно на этом механизме работают системы ЕПЭ. Экспериментально было продемонстрировано, что мощность 2,84 кВт можно передать емкостным методом между двумя пластинами, разнесенными на 150 мм, при этом была достигнута ЭПЭ 90,8% [33]. В качестве недостатка данного метода, стоит отметить паразитное взаимодействие электрического поля с биологическими объектами. С другой стороны, метод ЕПЭ не создает вихревые токи в токопроводящих обкладках и, следовательно, имеет меньше потерь полезной энергии.

В рассмотренных выше методах используют ближние поля для передачи энергии на рабочие расстояние меньше длины волны. Если необходима передача энергии на расстояния много больше длины волны, то необходимо прибегать к дальнопольному методу передачи энергии, в котором мощность передается распространяющимися электромагнитными волнами [34]-[36]. Обычно используют системы на основе коротких радиоволн. Микроволновые и системы миллиметрового диапазона строят из передающих и приемных антенн с высокой направленностью и дополняют систему функцией слежения за углом прихода сигнала. Недостатками дальнопольного метода передачи энергии являются низкая ЭПЭ и высокая плотность электромагнитной энергии в пространстве между передатчиком и приемником.

Среди ближнепольных методов передачи энергии наибольший интерес вызывает метод МРПЭ, поскольку он имеет наибольшую ЭПЭ на достаточно большое рабочее расстояние [30]. Однако этот метод БПЭ по-прежнему обладает высокими омическими и радиационными потерями [31]. Для уменьшения омических потерь

было предложено вместо металлических катушек использовать диэлектрические резонаторы с высокой диэлектрической проницаемостью и малыми диэлектрическими потерями, поддерживающие магнитные резонансы Ми [29], [37]. Однако их добротность все еще недостаточно велика из-за потерь на излучение.

В последнее время в фотонике и оптике большое внимание привлекают неизлучающие источники (НИ) [38]-[41]. НИ-источник представляет собой уникальное распределение заряда\тока, которое не излучает в дальнюю зону и локализует всю энергию в ближней зоне [38]. Поиск НИ-источников начался еще в те времена, когда Томсон совершил открытие электронов. Учитывая уравнения Максвелла, общее представление заключалось в том, что ускоренные заряды должны излучать электромагнитные волны. В результате атомы будут непрерывно излучать энергию и быстро коллапсировать. Поэтому ученые стали выяснять, существуют ли нетривиальные распределения зарядов, которые не излучают. В 1933 г. Шотт [42] продемонстрировал, что заряженный шар может двигаться по периодической орбите, не излучая энергии. Позже Бом и Вайнштейн [43] расширили подход Шотта на другие сферически-симметричные осциллирующие линейные распределения. В 1964 г. была создана и продемонстрирована более полная теория НИ-источников с несколькими асимметричными или вращающимися конфигурациями [37]. Общая теория НИ-источников была сформулирована Девани и Вульфом в 1973 г. [44].

В настоящее время анапольное состояние, как один из видов НИ-источников, привлекает внимание исследователей. Было показано, что рассеянии света на одиночном кремниевом нанодиске, поддерживающего анапольное состояние, можно добиться подавления излучения в дальнюю зону [41]. Классическое анапольное состояние возникает в результате деструктивной интерференции между излучением электрического и тороидального дипольных моментов наночастицы в дальней зоне [39]. Анапольные состояния были изучены в ряде структур [34], [39]-[49], и уже нашли множество применений в лазерной генерации, медицинской визуализации, разработке сенсоров и нелинейной оптике [50]-[61].

Анапольные состояния также исследовались в задаче излучения электромагнитных волн [68], [69]. Экспериментально было показано наличие анапольного состояния в системе, состоящей из четырех диэлектрических цилиндров с высоким показателем преломления, возбуждаемых электрической дипольной антенной [68]. Однако эта работа не получила дальнейшего продолжения для поиска конкретного применения анапольного состояния в микроволновом диапазоне частот. Также было теоретически предсказано возникновение анапольного состояния в одиночной диэлектрической сфере, возбуждаемой малой дипольной антенной [69]. К сожалению, эти теоретические предсказания не были подтверждены авторами экспериментально.

Поскольку основной характеристикой НИ-источников является подавление излучения в дальней зоне и локализация энергии в ближнем поле, то является важным изучить, возможно ли использовать резонансные структуры, поддерживающие анапольное состояния, для уменьшения потерь на излучение и повышения ЭПЭ ближнепольных систем БПЭ.

В данной диссертационной работе теоретически и экспериментально исследовано рассеяние электромагнитных волн на диэлектрических частицах с высоким показателем преломления, чтобы найти условия для возникновения анапольного состояния. Разработаны НИ-источники на основе анапольных состояний, состоящие из диэлектрических частиц со сверхвысокой диэлектрической проницаемостью, возбуждаемых точечными дипольными антеннами. Экспериментально подтверждено их применение в качестве передатчика и приемника в ближнепольной системе БПЭ, что приводит к повышению ЭПЭ благодаря подавлению излучения в дальней зоне.

Целью диссертации является исследование НИ-источников на основе анапольных состояний в задачах рассеяния и излучения электромагнитных волн в структурах с высоким показателем преломления, а также разработка системы ближнепольной БПЭ на основе НИ-источников с улучшенной ЭПЭ.

Научные задачи:

1. Исследовать рассеяние электромагнитных волн на бесконечном диэлектрическом цилиндре с помощью мультипольного разложения, основанного на теории Ми, и найти условия образования магнитного дипольного анапольного состояния.

2. Аналитически исследовать распределения ближнего поля магнитного анапольного состояния, возбужденного в бесконечном диэлектрическом цилиндре.

3. Исследовать рассеяние электромагнитных волн на конечном диэлектрическом цилиндре с высокой диэлектрической проницаемостью и выполнить мультипольное разложение с использованием сферического и декартова мультипольного разложений в микроволновом диапазоне частот.

4. Экспериментально исследовать сечение рассеяния и магнитные ближние поля конечного цилиндра из диэлектрического материала с высокой диэлектрической проницаемостью на частоте магнитного дипольного анапольного состояния.

5. Исследовать рассеяние электромагнитных волн на кремниевом нано диске с помощью мультипольного разложения в декартовых координатах и найти условия образования гибридного анапольного состояния.

6. Разработать электрические и магнитные НИ-источники на основе диэлектрического диска с колоссальной диэлектрической проницаемостью, возбуждаемого точечной дипольной антенной в радиочастотном (РЧ) диапазоне.

7. Разработать НИ-источник на основе диэлектрического диска с колоссальной диэлектрической проницаемостью, возбуждаемого небольшой рамочной антенной, поддерживающего гибридное анапольное состояние в РЧ-диапазоне.

8. Разработать систему БПЭ на основе НИ-источников и сравнить полученные характеристики с характеристиками системам БПЭ, работающих на магнитной дипольной (МД) и магнитной квадрупольной (МК) модах.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Впервые экспериментально показано, что при рассеянии плоской волны на одиночном диэлектрическом цилиндре с высоким показателем преломления возникает магнитное анапольное состояние с подавленным магнитным дипольным излучением. Для обнаружения магнитного анапольного состояния в микроволновом диапазоне частот применялись прямые измерения дальнего и ближнего полей субволнового цилиндра, заполненного водой.

2. Образование неизлучающих источников, основанных на электрическом и магнитном анапольных состояниях, возбуждаемых в одиночных частицах с высоким показателем преломления с помощью точечных излучателей, является результатом деструктивной интерференции между волнами, непосредственно излучаемыми точечными излучателями, и волнами, рассеянными частицами.

3. Неизлучающие источники на основе диэлектрических дисков со сверхвысокой диэлектрической проницаемостью, возбуждаемые металлическим рамочным излучателями, могут быть использованы в качестве передатчика и приемника ближнепольной системы беспроводной передачи энергии, что приводит к повышению эффективности передачи энергии благодаря подавлению потерь на излучение в дальнюю зону, обеспечивая эффективность передачи энергии до 94% в пределах рабочего расстояния до одного радиуса передатчика/приемника.

Новизна исследования заключается в следующем:

1. Впервые экспериментально наблюдается магнитно-дипольное анапольное состояние, полученное при рассеянии плоских волн с ТЕ-поляризацией, в одиночном диэлектрическом цилиндре с диэлектрической проницаемостью е = 78,84 + i6,15, высотой 300 мм и радиусом 18 мм.

2. Гибридное анапольное состояние с подавленным рассеянием может быть получено в оптическом диапазоне за счет перекрытия электрических дипольных, магнитных дипольных и электрических квадрупольных анаполей в кремниевом нанодиске.

3. Электрический и магнитный НИ-источники могут быть получены за счет деструктивной интерференции волн, излучаемых малой дипольной антенной и диэлектрическим полым цилиндром (в случае электрического НИ-источника) и малой рамочной антенной и диэлектрическим полым цилиндром (в случае магнитного НИ-источника).

4. НИ-источники с подавленным излучением достигаются за счет деструктивной интерференции волн, излучаемых малой рамочной антенной и диэлектрическим диском.

5. Экспериментально подтверждена возможность создания ближнепольной системы БПЭ без потерь на излучение в дальнюю зону и с высокой ЭПЭ на основе НИ-источников, используемых в качестве передатчика и приемника.

Практическая значимость диссертации заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для практических приложений в системах БПЭ следующего поколения с улучшенной эффективностью передачи энергии.

Надежность и достоверность полученных результатов обеспечиваются использованием современных методов численного моделирования и экспериментальных исследований, которые проверены исчерпывающим образом и широко используются, а также соответствием между полученными экспериментальными результатами и данными численного моделирования. Воспроизводимость полученных экспериментальных результатов подтверждается серией измерений с использованием различных приборов, например, векторным анализатором цепей (ВАЦ) фирм Agilent и Rohde&Schwartz.

Апробация результатов. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих международных конференциях: «The 15h International Congress on Engineered Material Platforms for Novel Wave Phenomena -Metamaterials'2021» (онлайн, 2021), «International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA)» (онлайн, 2021), «METANANO» (онлайн, 2021), «METANANO» (онлайн, 2020). Эта работа выполнена при финансовой поддержке

Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект No. 21-79-30038).

Публикация. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 8 статьях, которые индексируются в Scopus и Web of Science.

Вклад автора. Автор внес решающий вклад в выбор методов, проведение теоретических и экспериментальных исследований и получение результатов, а также в подготовку научных публикаций по результатам работы.

Структура диссертации и количество страниц. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 113 страниц, включая библиографический список из 67 источников. Работа содержит 40 рисунков и 1 таблицу, размещенные внутри глав.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Занганех Эсмаил

Краткое изложение основных результатов:

1. Экспериментально наблюдалось магнитное дипольное анапольное состояние в длинном цилиндре с диэлектрической проницаемостью s=78,84+i6,15, высотой 300 мм и радиусом 18 мм.

2. Теоретически наблюдалось гибридное анапольное состояние с подавленными электрическим дипольным, магнитным дипольным и электрическим квадрупольным вкаладами в кремниевом нанодиске радиусом R=177,5 нм и высотой h=212,5 нм в оптике.

3. Используя концепцию электрического анапольного состояния, был разработан электрический НИ-источник на основе малой дипольной антенны (длиной 25 мм) и полого диэлектрического диска со сверхвысокой диэлектрической

проницаемостью (е = 1000, tanS = 2,5 *10'4) с внешним радиусом 20 мм, внутренним радиусом 5 мм и высотой 28 мм.

4. Используя концепцию магнитного анапольного состояния, был разработан магнитный НИ-источник на основе малой рамочной антенны (радиусом 4 мм) и полого диэлектрического диска со сверхвысокой диэлектрической проницаемостью (е = 1000, tanS = 2,5 *10'4) с внешним радиусом 20 мм, внутренним радиусом 5 мм и высотой 20 мм.

5. Используя концепцию гибридного анапольного состояния (перекрытие ЭД и ЭК анапольных состояний) был разработан НИ-источник, основанный на небольшой рамочной антенне и диэлектрическом диске со сверхвысокой диэлектрической проницаемостью (е = 1000, tanS = 2,5 *10'4).

6. Экспериментально и численно продемонстрирована система БПЭ на основе НИ-источников в качесве передатчика и приемника. Было экспериментально получено максимальное значение ЭПЭ, равное 92%, в пределах рабочего расстояния одного радиуса передатчика/приемника. Это на 4% и 14% выше, чем ЭПЭ систем БПЭ, работающих на модах низкого порядка, таких как магнитный диполь и квадруполь, соответственно.

Основные результаты диссертации представлены в следующих публикациях:

[A1] E. Zanganeh, M. Song, A.C. Valero, A. S. Shalin, E. Nenasheva, A. Miroshnichenko, A. Evlyukhin, and P. Kapitanova, Nonradiating Sources for Efficient Wireless Power Transfer, Nanophotonics, vol. 10, no. 17, 4399 4408, (2021).

[A2] E. Zanganeh, A. Evlyukhin, A. Miroshnichenko, M. Song, E. Nenasheva, and P. Kapitanova, Anapole meta-atoms: nonradiating electric and magnetic sources, Physical Review Letters 127, no. 9, 096804, (2021).

[A3] M. Song, P. Jayathurathnage, E. Zanganeh, M. Krasikova, P. Smirnov, P. Belov, P. Kapitanova, C. Simovski, S. Tretyakov and A. Krasnok, Wireless power transfer based on novel physical concepts, Nature Electronics 4, 707-716 (2021).

[A4] P. Kapitanova, E. Zanganeh, N. Pavlov, M. Song, P. Belov, A. Evlyukhin, and A. Miroshnichenko, Seeing the Unseen: Experimental Observation of Magnetic Anapole State Inside a High-Index Dielectric Particle, Annalen der Physik 532, no. 12, 2000293, (2020).

[A5] E. Zanganeh, M. Song, M. Korobkov, A. Evlyukhin, A. Miroshnichenko, P. Kapitanova, Numerical Study of Non-Radiating Near-Field Wireless Power Transfer System, Journal of Physics: Conference Series. Vol. 2015. No. 1. IOP Publishing, (2021).

[A6] E. Zanganeh, A. Evlyukhin, A. Miroshnichenko, and P. Kapitanova, Non-Radiating Electric Source Based on Anapole State, 2021 Fifteenth International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena (Metamaterials), pp. 469-471, (2021).

[A7] E. Zanganeh, A. Evlyukhin, A. Miroshnichenko, and P. Kapitanova, Magnetic and Hybrid Anapole States in Dielectric Cylindrical Particles, In 2021 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), pp. 368-370. IEEE, (2021).

[A8] E. Zanganeh, M. Song, A. Evlyukhin, and P. Kapitanova, Electromagnetic anapole States of nano-disks, In AIP Conference Proceedings, vol. 2300, no. 1, p. 020138. AIP Publishing LLC, (2020).