[論文レビュー] Unlimited Accumulation of Electromagnetic Energy Using Time-Varying Reactive Elements

M. S. Mirmoosa, Grigorii Ptitcyn+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 20被引用数 25

ひとこと要約

本稿では、インダクタンスとキャパシタンスの非調和的かつ任意の時間変調を用いて、時間変動するリアクティブ回路において無限の電磁エネルギーを蓄積する手法を提案する。反響を正確に制御したリアクタンスの時間依存性により、反射を排除することで、時間調和源とポンプ源の両方からのエネルギーを蓄積可能となり、蓄積エネルギーが入力エネルギーを上回ることを示した。解析的およびシミュレーション的検証により、0.64 Jの入力から最大10.9 Jのエネルギー抽出が可能であることが確認された。

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.

研究の動機と目的

• 従来のリアクティブ素子が入射電力をすべて反射し、蓄積エネルギーに上限があるという根本的制限を克服すること。
• 時間変動するリアクティブ素子が、時間調和源からの連続的・無限のエネルギー蓄積を可能にするかを検討すること。
• 任意の電流波形を実現できる時間変調LC回路を設計し、反射をゼロにすること。
• 主電源、ポンプ（変調源）、負荷間のエネルギー交換を定量すること。
• 蓄積エネルギーを時間圧縮パルスとして抽出し、システム全体としてのエネルギー増幅を示すこと。

提案手法

• 時間変調されたリアクティブ負荷で終端された送信線路からの反射をゼロにするために、インダクタンスL(t)およびキャパシタンスC(t)の時間依存性を導出すること。
• 送信線路理論および等価回路モデルを用いて、エネルギーの流れと反射条件を分析すること。
• 時間変動パラメータを有する2次系として時間変調LC回路をモデル化し、電流およびエネルギーのダイナミクスを解くこと。
• ミキサーとフィルタを用いて、実装上必要なL(t)およびC(t)を実現する変調関数を設計すること。
• 変調が停止した後、主電源からの供給エネルギーと負荷からの抽出エネルギーを比較することでエネルギーバランスを分析すること。
• R0 = 1 Ω、ω = 1 rad/s、A = 1 V、I0 = 1 A/sのシステムをシミュレーションし、無限蓄積およびエネルギー抽出の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間変動するリアクティブ素子は、反射を排除し、時間調和源からの連続的エネルギー蓄積を可能にするか？
• RQ2 ゼロ反射および無限エネルギー貯蔵を達成するために、L(t)およびC(t)に必要な時間依存性は何か？
• RQ3 リアクタンスの時間変調により、回路内の電流を任意に設計可能か？
• RQ4 変調源からのエネルギーは、システム全体の蓄積エネルギーにどのように寄与するか？
• RQ5 蓄積エネルギーは、時間圧縮パルスとして抽出可能であり、主電源からの入力エネルギーを超えるエネルギー増幅が達成可能か？

主な発見

• 時間変動するリアクティブ負荷はゼロ反射を達成し、すべての入射電力を完全に吸収・蓄積可能となる。
• 必要なL(t)およびC(t)の時間依存性は、ミキサーやフィルタを用いて実現可能であり、実装が可能である。
• システムは時間調和源からのエネルギー蓄積に加え、リアクタンスを変調するポンプ源からのエネルギー供給も行っている。
• シミュレーションにより、抽出エネルギーが最大10.9 Jに達することが示され、供給エネルギーのおよそ0.64 Jを著しく上回ることが確認された。
• 変調を停止した後、0.01 Ωの抵抗へエネルギーを放出した場合、供給エネルギーを大幅に上回るエネルギーが抽出された。これは、システム全体としてのエネルギー増幅が実現されたことを証明している。
• 負荷とポンプとの間でエネルギーが均等に交換されるように設計可能であり、ネットロスなしに制御されたエネルギー放出が可能となる。