[논문 리뷰] Unlimited Accumulation of Electromagnetic Energy Using Time-Varying Reactive Elements

M. S. Mirmoosa, Grigorii Ptitcyn외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 21.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 20인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 유도성과 커패시턴스의 비정현적, 임의의 시간에 따른 변조를 통해 시간에 따라 변화하는 반도체 회로에서 무한한 전자기 에너지 축적을 달성하는 방법을 제안한다. 반도체의 시간에 따른 반응성 제어를 정밀하게 조절함으로써 반사가 제거되어, 시간 정현파 소스와 펌프 소스로부터 에너지를 모두 축적할 수 있으며, 이로 인해 축적된 에너지가 공급된 에너지를 초월하게 된다. 이는 해석적으로도, 시뮬레이션을 통해도 입증되었으며, 0.64 J의 입력에서 최대 10.9 J의 에너지를 추출함을 보였다.

ABSTRACT

Accumulation of energy by reactive elements is limited by the amplitude of time-harmonic external sources. In the steady-state regime, all incident power is fully reflected back to the source, and the stored energy does not increase in time, although the external source continuously supplies energy. Here, we show that this claim is not true if the reactive element is time-varying, and time-varying lossless loads of a transmission line or lossless metasurfaces can accumulate electromagnetic energy supplied by a time-harmonic source continuously in time without any theoretical limit. We analytically derive the required time dependence of the load reactance and show that it can be in principle realized as a series connection of mixers and filters. Furthermore, we prove that properly designing time-varying LC circuits one can arbitrarily engineer the time dependence of the current in the circuit fed by a given time-harmonic source. As an example, we theoretically demonstrate a circuit with a linearly increasing current through the inductor. Such LC circuits can accumulate huge energy from both the time-harmonic external source and the pump which works on varying the circuit elements in time. Finally, we discuss how this stored energy can be released in form of a time-compressed pulse.

연구 동기 및 목표

• 기존의 반도체 요소가 모든 입사 전력을 반사하고 고정된 최대값으로 축적 에너지를 제한하는 기본적인 한계를 극복하기 위해.
• 시간에 따라 변화하는 반도체 요소가 시간 정현파 소스로부터 지속적이고 무한한 에너지 축적을 가능하게 하는지 탐색하기 위해.
• 임의의 전류 형상 조절과 반사 없음을 가능하게 하는 시간 변조된 LC 회로를 설계하기 위해.
• 주요 소스, 펌프(변조 소스), 및 부하 사이의 에너지 교환을 정량화하기 위해.
• 에너지가 시간 압축 펄스 형태로 추출될 수 있으며, 이는 주 소스로부터의 입력 에너지를 초월하는 네트워크 에너지 이득을 보여주기 위해.

제안 방법

• 시간에 따라 변하는 반도체 부하로 종료된 전송선로에서 반사가 없는 조건을 만족하기 위해 유도성 L(t)과 커패시턴스 C(t)의 필요 시간 의존성을 유도하기 위해.
• 전송선 이론과 등가 회로 모델을 사용하여 에너지 흐름과 반사 조건을 분석하기 위해.
• 시간에 따라 변화하는 매개변수를 갖는 두 번째 차수 시스템으로 시간 변조된 LC 회로를 모델링하고, 전류 및 에너지 역학을 해석하기 위해.
• 실제로 필요한 L(t)과 C(t)를 실현하기 위해 믹서와 필터를 사용하여 변조 함수를 설계하기 위해.
• 주 소스로부터 공급된 에너지와 변조가 종료된 후 부하에서 추출된 에너지 간의 에너지 균형을 분석하기 위해.
• R0 = 1 Ω, ω = 1 rad/s, A = 1 V, I0 = 1 A/s 조건으로 시스템을 시뮬레이션하여 무한한 축적과 에너지 추출을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간에 따라 변화하는 반도체 요소가 반사를 제거하고 시간 정현파 소스로부터 지속적인 에너지 축적을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 반사가 없고 무한한 에너지 저장이 가능하도록 하기 위해 L(t)과 C(t)의 특정 시간 의존성은 무엇이 필요한가?
• RQ3 반도체의 시간 변조를 통해 회로의 전류를 임의로 설계할 수 있는가?
• RQ4 변조 소스에서 온 에너지가 시스템의 총 축적 에너지에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 축적된 에너지를 시간 압축 펄스 형태로 추출할 수 있으며, 이때 주 소스로부터의 입력 에너지를 초월하는가?

주요 결과

• 시간에 따라 변화하는 반도체 부하가 반사를 완전히 제거하여 모든 입사 전력이 완전히 흡수되고 축적된다.
• 필요한 L(t)과 C(t)의 시간 의존성은 믹서와 필터를 사용하여 실현 가능하여 실용적 구현이 가능하다.
• 시스템은 시간 정현파 소스 외에도 반도체의 변조를 통해 펌프 소스로부터도 에너지를 축적한다.
• 시뮬레이션 결과에서 추출된 에너지는 최대 10.9 J에 이르며, 약 0.64 J의 공급된 에너지보다 크게 초월한다.
• 변조를 중단하고 에너지를 0.01 Ω 저항기에 방출할 경우, 추출된 에너지가 공급된 에너지보다 훨씬 크며, 이는 시스템 내에서 순 에너지 이득이 있음을 증명한다.
• 부하와 펌프 사이에 에너지가 균형 있게 교환되도록 설계할 수 있어, 순 손실 없이 제어된 방출이 가능하다.