[论文解读] 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 25

一句话总结

本文提出一种方法，通过非谐波、任意时间调制电感和电容，在时变无功电路中实现无限电磁能量积累。通过精确控制无功时间依赖性以消除反射，系统可从时谐源和泵源同时积累能量，使存储能量超过输入能量——该现象已通过理论分析和仿真得到验证，能量提取最高达10.9 J，而输入能量仅为0.64 J。

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.

研究动机与目标

• 克服传统无功元件的根本限制：反射所有入射功率，且存储能量被固定最大值所限制。
• 探究时变无功元件是否可实现从时谐源持续、无限的能量积累。
• 设计时调制LC电路，实现任意电流整形并实现零反射。
• 量化主源、泵源（调制源）与负载之间的能量交换。
• 演示能量以时间压缩脉冲形式提取，表明系统具有净能量增益。

提出的方法

• 推导为实现从由时变调制无功负载终止的传输线实现零反射，所需电感L(t)和电容C(t)的时间依赖关系。
• 利用传输线理论和等效电路模型分析能量流动与反射条件。
• 将时调制LC电路建模为具有时变参数的二阶系统，求解电流与能量动力学。
• 通过混频器和滤波器设计调制函数，以在实际中实现所需的L(t)和C(t)。
• 通过比较主源提供的能量与调制停止后从负载提取的能量，分析能量平衡。
• 仿真系统参数为R0 = 1 Ω，ω = 1 rad/s，A = 1 V，I0 = 1 A/s，以验证无限积累与能量提取。

实验结果

研究问题

• RQ1 时变无功元件是否可消除反射并实现从时谐源的连续能量积累？
• RQ2 为实现零反射与无限能量存储，L(t)和C(t)需要何种特定时间依赖关系？
• RQ3 能否通过无功的时调制任意设计电路中的电流？
• RQ4 调制源的能量如何贡献于系统总存储能量？
• RQ5 积累的能量是否可作为时间压缩脉冲提取，且提取能量超过主源输入能量？

主要发现

• 时变无功负载实现零反射，使所有入射功率被完全吸收并积累。
• 通过混频器和滤波器可实现L(t)和C(t)所需的时间依赖关系，具备实际实现可行性。
• 系统不仅从时谐源，还从调制无功的泵源中积累能量。
• 仿真结果表明，提取能量可达10.9 J，显著超过约0.64 J的输入能量。
• 当调制停止并将能量释放到0.01 Ω电阻时，提取能量远大于输入能量，证明系统具有净能量增益。
• 系统可设计为使能量在负载与泵源之间等量交换，实现无净损失的受控释放。