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 21-79-30038
НазваниеУправляемые метаповерхности для беспроводных технологий
РуководительКапитанова Полина Вячеславовна, Доктор физико-математических наук
Прежний руководитель Симовский Константин Руфович, дата замены: 18.03.2022
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург
Период выполнения при поддержке РНФ | 2021 г. - 2024 г. |
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 словаметаповерхности, 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.
Ожидаемые результаты
Планируемыми результатами выполнения данного проекта являются экспериментальные образцы и измеренные характеристики новых метаповерхностей, предназначенных для динамического управления распределением как ближнего, так и дальнего электромагнитного поля, а также аналитические и численные модели метаповерхностей, результаты расчета их электромагнитных характеристик. В рамках выполнения проекта управляемые метаповерхности впервые в мире будут применены для динамической перестройки пространственного распределения радиочастотного поля в тех применениях, где управление полем в режиме реального времени либо в режиме запланированного переключения необходимо для качественного улучшения работы системы. Так, нами будут впервые разработаны управляемые метаповерхности, обеспечивающие оптимизацию распределения электромагнитного поля внутри тела человека посредством электронного управления областью сканирования при получении изображений МРТ. Впервые будут разработаны «умные» стены, включающие метаповерхности, управляющими элементами которых являются сегнетоэлектрические конденсаторы, предназначенные для управления распределением полей сигналов внутри помещений для многолучевого распространения сигнала 5G телекоммуникационных систем. Впервые будут предложены перестраиваемые (или переключаемые) системы беспроводной передачи энергии для зарядки аккумуляторов нескольких гаджетов одновременно, причем подавление потерь на излучение системы и адаптивное изменение передаваемой мощности будет достигнуто за счет применения неизлучающих метаповерхностей со связанными состояниями континуума или (и) использования неизлучающих, так называемых анапольных, резонансных источников поля.
На сегодня управляемые и перестраиваемые метаповерхности являются одним из важнейших направлений исследований в электромагнетизме и в оптике. В то же время, получение вышеуказанных результатов позволит получить приоритет в России в применении подобных структур в важнейших развивающихся беспроводных технологиях связи и медицинской диагностики, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ), эффективные и компактные устройства беспроводной зарядки и системы связи нового поколения. Хотя предлагаемые идеи частично базируются на уже опубликованных нами теоретических работах, в ходе проекта планируется экспериментально продемонстрировать работоспособность и преимущества таких устройств, а также разработать новые принципы и подходы. Таким образом, в конечном счете нами будут разработаны и изготовлены патентоспособные экспериментальные образцы устройств, такие как беспроводная, компактная и легкая метаповерхность для адаптивного управления областью сканирования в МРТ, метаповерхность для управления пространственным распределением сигналов сетей 5G, как в низкочастотном диапазоне (ориентировочно 5 ГГц), так и в миллиметровом диапазоне (28 ГГц), а также адаптивная и компактная система беспроводной передачи на основе метаповерхности для зарядки аккумуляторов приемника или нескольких приемников произвольно расположенных на поверхности «умного стола».
Общественная значимость результатов проекта обусловлена практической применимостью разрабатываемых поверхностей в радиочастотных системах, развитие и повсеместное внедрение которых ожидается в ближайшие годы. Так применение управляемых метаповерхностей в 5G позволит повысить информационную емкость радиоканала в местах большого скопления абонентов (здания, общественные пространства). Применение управляемой метаповерхности в МРТ позволит за счет адаптивной настройки распределения поля радиочастотной катушки разработать алгоритм сканирования, не требующий переключения радиочастотных разъемов катушек и точного позиционирования нательной катушки, что снизит время проведения МРТ диагностики. Использование перестраиваемой, в том числе переключаемой, метаповерхности для беспроводной передачи энергии позволит создать систему беспроводной зарядки ориентированную на адаптивную одновременную зарядку нескольких мобильных устройств, разработанных под разные стандарты с возможностью автоматического детектирования приемника и автоматического изменения предаваемой мощности пропорционально числу приемников, что обеспечит недостижимое ранее удобство пользователей и качественное улучшение эксплуатационных характеристик системы.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Научные работы, запланированные на первый этап проекта, были выполнены в полном объеме и были получены все заявленные результаты. Работы были сгруппировать по основным четырем блокам.
Первый блок работ был посвящен исследованию нелинейных метаповерхностей для клинических магнитно-резонансных томографов (МРТ). В ходе работ были построены численные модели, получены результаты численного моделирования характеристик, были изготовлены прототипы и получены результаты экспериментальные исследования двух нелинейных меаповерхностей для клинических МРТ, включая исследования в условиях клинического аппарата МРТ на фантомах для контроля качества изображений. Экспериментальное исследование метаповерхности на основе параллельных проводников и диэлектрика на клиническом МРТ с величиной постоянного магнитного поля 1,5 Тл показало, что отношение сигнал/шум (ОСШ), измеренное на программе градиентное эхо (TR=1010 мс, TE=12 мс), равно 18. В то время, как стандартной катушка типа птичья клетка при аналогичном измерении показала ОСШ=4. Таким образом, показано улучшение качества МР-изображений при использовании предложенной метаповерхности. Экспериментальное исследование второго прототипа метаповерхности на основе параллельных проводников и конденсаторов на клиническом МРТ с величиной постоянного магнитного поля 1 Тл показало ОСШ=37, измеренное на программе градиентное эхо (TR=800 мс, TE=20 мс). Аналогичные измерения на стандартной катушке типа птичья клетка показали ОСШ=12.
Второй блок работ был посвящен управляемым метаповерхностям СВЧ и миллиметрового диапазонов с управляющими элементами в виде диодов и сегнетоэлектрических конденсаторов. За первый год проекта были определены формы резонансных элементарных ячеек отражательных метаповерхностей для различных видов управляющих элементов: сегнетоэлектрического конденсатора двух видов, варакторного диода и pin-диода. Численные модели были построены как для диапазона 8-12 ГГц, так и для диапазона 24-28 ГГц. С помощью изготовленных элементарных ячеек в следующем году проекта будут уточняться параметры вышеуказанных элементов и закладываться в расчет окончательных параметров элементарной ячейки отражательной метаповерхности. Также были исследованы методы получения сегнетоэлектрических конденсаторов с управляемостью ~2 и ~5 и изготовлены партии соответствующих конденсаторов для применения в составе ячеек метаповерхности. Таким образом, проведены подготовительные работы к проектированию полноразмерных управляемых отражательных поверхностей для обоих диапазонов. Предполагается, что поверхность для диапазона 8-12 ГГц может использоваться в спутниковой связи, в то время как поверхность на диапазон 24-28 ГГц будет являться прототипом управляемого ретранслятора сигналов в диапазона 5G FR2.
В третьем блоке были изучены диэлектрические резонансные структуры и метаповерхности на их основе. Работы в данном блоке были направлены на изучение анапольных неизлучающих состояний, при которых наблюдается подавление излучения в дальнюю зону, и наоборот изучение эффектов сверх направленности, когда излучение в дальней зоне достигает максимального значения. Нами были предложены и изучены неизлучающие источники, поддерживающие электрическое и магнитное анапольные состояния. Практическая реализация неизлучающих источников была выполнена в виде керамического полого дискового резонатора с высоким значением диэлектрической проницаемости и малым тангенсом угла диэлектрических потерь, возбуждаемых электрическим или магнитным точечным диполем, помещенным внутри полого диска. Мы построили численные модели и получили результаты численного моделирования ближних и дальних полей источников. Изготовили прототип и провели экспериментальные исследования, которые полностью повторили предсказания численных расчетов. На основе данных неизлучающих источников мы собрали прототип системы беспроводной передачи энергии, в которой не было потерь на излучение. Благодаря этому, возросла эффективность передачи энергии. Измеренное значение эффективности составило 92%. Нами были также предложены и изучены различные геометрии диэлектрических частиц и метаповерхностей на их основе, позволяющих значительно увеличить направленность излучения. В частности, модель субволновой сверх направленной антенны для частотного диапазона 1-10 ГГц на основе керамических резонаторов с высоким значением диэлектрической проницаемости, построенная в ходе выполнения первого этапа работ, показала что можно получить направленность больше 13.
Последний, четвертый, блок работ был нацелен на изучение управляемых и перестраиваемых метаповерхностей и резонаторов на их основе для применения в системах беспроводной передачи энергии. Была построена численная модель метаповерхности, представляющая собой 16 проводников, параллельно упорядоченных на печатной плате, нагруженных на емкостные элементы. Построенная модель учитывает проводимость проводников, диэлектрическую проницаемость и дисперсию диэлектрической подложки, потери в навесных элементах и позволяет проводить численное моделирование электродинамических характеристик метаповерхности в заданном частотном диапазоне. С ее помощью были получены результаты расчета коэффициента согласования метаповерхности в частотном диапазоне и получены карты распределения ближнего поля. Показано, что резонансы двух первых мод находятся на частотах 6,78 МГц и 13,56 МГц, соответственно. Картины ближних магнитных полей на данных частотах обладаю равномерным распределением в области над метаповерхностью. Был предложен метод перестройки частотного отклика метаповерхности с помощью изменения места запитки структуры. Полученные результаты подтверждают, что данная метаповерхность потенциально интересна для применения в качестве передающего резонатора для системы беспроводной передачи энергии формата “Умный стол” и развитие данной концепции будет продолжено на следующем этапе проекта.
Результаты работ, полученные в ходе выполнения первого этапа проекта, были опубликованы в высокорейтинговых журнала, таких как Nature Electronics (https://doi.org/10.1038/s41928-021-00658-x), Nanophotonic (https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0378), Physical Review Letters (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.096804), Physical Review X (https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.031038), Physics Review Applied (https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.L021002). Устные доклады по результатам проекта были представлены на международных конференциях METANANO 2021, Metamaterials 2021, COMCAS 2021, ISMR 2021 и прочих. Была организована школа для молодых ученых “Физика и применения метаматериалов и метаповерхностей в микроволновом, миллиметровом и оптическом диапазонах”, которая проводилась в Университете ИТМО с 24 по 26 ноября 2021 (https://microwave.school.physics.itmo.ru/). В мероприятии приняло участие 57 участников, из них: 7 российских и 3 зарубежных ученых-лекторов, а также 47 слушателей - российских молодых ученых в возрасте до 35 лет включительно, аспирантов и студентов.
Публикации
1. 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) https://doi.org/10.1038/s41928-021-00658-x
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) https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.L021002
3. 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) https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.031038
4. 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) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.096804
5. 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) https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0378
6. 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)
7. 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) https://doi.org/10.1109/ICEAA52647.2021.9539867
8. 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) https://doi.org/10.1088/1742-6596/2015/1/012133
9. 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) https://doi.org/10.1088/1742-6596/2015/1/012134
10. Серегин Павел Сергеевич, Зубков Михаил Александрович, Бурмистров Олег Ильич Магнитно-резонансный томограф с метаповерхностью (варианты) -, № 2021119137 от 30.06.2021 (год публикации - )
11. Серегин Павел Сергеевич, Зубков Михаил Александрович, Бурмистров Олег Ильич Способ функционирования магнитно-резонансного томографа на основе метаповерхности (варианты) -, заявка № 2021124725 от 20.08.2021 (год публикации - )
12. - Creating a non-radiating source of electromagnetism https://phys.org/, - (год публикации - )
13. - Международная группа исследователей с участием ученых из ИТМО разработала неизлучающий источник динамических электромагнитных полей ИТМO.NEWS, - (год публикации - )
14. - Приглашание студентов технических специальностей на нашу Школу «Физика и применения метаматериалов и метаповерхностей в микроволновом, миллиметровом и оптических диапазонах». VK.com страница Новый физтех. Университет ИТМО, - (год публикации - )
15. - Как усовершенствовать технологию беспроводной передачи энергии? VK.com страница Новый физтех. Университет ИТМО, - (год публикации - )
16. - В ИТМО презентовали уникальную модель игровой доски с квантовыми точками канал Санкт-Петербург, - (год публикации - )
17. - Как квантовые шахматы помогут создать новые источники энергии НТВ, - (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Научные работы, запланированные на второй этап проекта, были выполнены в полном объеме и были получены все заявленные результаты. Работы были сгруппировать по основным четырем блокам.
Первый блок работ был посвящен исследованию нелинейных метаповерхностей для клинических магнитно-резонансных томографов (МРТ). В ходе работ была предложена геометрия управляемой метаповерхности на основе сетки из медных проводников, размещенных на диэлектрической подложке, между узлами которых установлены конденсаторы. Данная структура может работать в многомодовом режиме, т. е. на одной частоте можно возбудить два профиля распределения магнитного поля. Это позволяет использовать структуру как многоканальную приемную катушку для задач МРТ. По сравнению с классическими системами предложенная катушка на основе метаповерхности позволяет улучшить магнитное поле приема (B1-) на 33% в области интереса (для МРТ с напряженностью поля 3 Тл), что напрямую связано с улучшением качества получаемых МР изображений. Кроме того, достаточно простая геометрия структуры позволяет настроить ее для работы в аппаратах МРТ с напряженностью поля 1, 1.5 и 3 Тл. Также было численно продемонстрировано применение разработанных метаповерхностей с пассивным и активным детюнингом для повышения радиочастотной безопасности и возможности проведения самодиагностики PIN-диодов, входящих в геометрию метаповерхности. В ходе моделирования и экспериментов проведено картирование радиочастотного магнитного поля передачи и проведен расчет удельного коэффициента поглощения электромагнитной энергии. Результаты данных исследований подтвердили, что метаповерхность не приводит к существенным искажениям радиочастотного поля внутри клинического аппарата МРТ, а также является безопасной для пациента. Для обеспечения электропитанием разработанных метаповерхностей членами коллектива была внедрена система беспроводного питания внутри тоннеля аппарата МРТ с использованием энергии радиочастотного поля передачи стандартной передающей катушки, которая является частью большинства аппаратов с напряженностью магнитного поля 1–3 Тл. Разработанная система позволяет в два раза эффективнее (по сравнению с ранее известными системами с линейной поляризацией) преобразовывать энергию радиочастотного поля в постоянное напряжение и может использоваться для питания цепей активного детюнинга управляемых метаповерхностей.
Второй блок работ был посвящен управляемым метаповерхностям СВЧ и миллиметрового диапазонов с управляющими элементами в виде диодов и сегнетоэлектрических конденсаторов. Были выполнены измерения коэффициентов отражения волноводной моды от изготовленных экспериментальных ячеек метаповерхностей в диапазонах 3.5-5 ГГц, 8-12 ГГц и 24-28 ГГц, а также извлечены характеристики управляющих элементов (двух типов сегнетоэлектрических конденсаторов, варакторных диодов MAVR-000120-14110G и SMV2019-040LF и pin-диода MADP-000907-14020). Были построены численные модели управляемых отражательных метаповерхностей на диапазон 10–12 ГГц и 24-28 ГГц с заложенными измеренными свойствами управляемых элементов и получены результаты расчетов их электродинамических характеристик (в частности коэффициентов отражения, диаграмм рассеяния). Был изготовлен прототип управляемой отражательной метаповерхности на основе сегнетоэлектриков на центральную частоту 26 ГГц. Была разработана и изготовленна электронная плата управления на базе микроконтроллера AT91SAM7S64, поддерживающего обмен по протоколу USB, а также на основе 32-х канальных 16-ти разрядных ЦАП AD5535. Были проведены измерения электродинамических характеристик (диаграммы рассеяния) разработанного прототипа метраповерхности совместно с управляющей платой.
В третьем блоке были изучены диэлектрические резонансные структуры и метаповерхности на их основе. Работы в данном блоке были направлены на изучение гибридных анапольных состояний, при которых наблюдается подавление излучения в дальнюю зону, и наоборот изучение эффектов сверх направленности, когда излучение в дальней зоне достигает максимального значения. Нами были предложены и изучены диэлектрические структуры и метаповерхности, поддерживающие гибридные анапольные состояния. Мы построили численные модели и получили результаты численного моделирования ближних и дальних полей структур и метаповерхностей. Изготовили прототип и провели экспериментальные исследования, которые полностью повторили предсказания численных расчетов. Нами были также предложены и изучены различные геометрии диэлектрических частиц и метаповерхностей на их основе, позволяющих значительно увеличить направленность излучения.
Четвертый блок работ был нацелен на изучение перестраиваемых метаповерхностей для применения в системах беспроводной передачи энергии. Были построены численные модели метаповерхностей и предложены методы оптимизации их характеристик для работы на частотах ISM полосы (в частности 6,78 МГц и 13,56 МГц) и стандарта Qi (в частности 200 кГц) . Было показано, что резонансы двух первых мод могут быть оптимизированы на частоты 6,78 МГц и 13,56 МГц, соответственно. Картины ближних магнитных полей на данных частотах обладаю равномерным распределением в области над метаповерхностью. Полученные результаты подтверждают, что данная метаповерхность потенциально интересна для применения в качестве передающего резонатора для системы беспроводной передачи энергии формата “Умный стол” и развитие данной концепции будет продолжено на следующем этапе проекта.
По результатам работ, полученные в ходе выполнения второго этапа проекта, были опубликованы 13 публикаций, 6 из которых в журнала из списка Q1. Устные и приглашенные доклады по результатам проекта были представлены на международных конференциях. Была организована школа для молодых ученых “Школа по Магнитно-Резонансной Томографии”, которая проводилась в Университете ИТМО с 27.06.2022 по 02.07.2022 (https://mrischool.physics.itmo.ru/). В мероприятии приняло участие 104 участника, из них: 11 российских и 1 зарубежный ученых-лекторов, а также 92 слушателя - российских молодых ученых в возрасте до 35 лет включительно, аспирантов и студентов.
Публикации
1. 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)
2. 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) https://doi.org/10.1109/TAP.2022.3177531
3. 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) https://doi.org/10.1109/WPW54272.2022.9853903
4. 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) https://doi.org/10.1063/5.0096841
5. 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) https://doi.org/10.3390/nano12213916
6. 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) https://doi.org/10.1109/TAP.2022.3217327
7. 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) https://doi.org/10.1109/METAMATERIALS54993.2022.9920826
8. 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) https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.044014
9. 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)
10. 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) https://doi.org/10.1109/WPW54272.2022.9901329
11. 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) https://doi.org/10.1016/j.mattod.2022.09.007
12. 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) https://doi.org/10.1007/s10334-022-01007-5
13. 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) https://doi.org/10.1016/j.photonics.2022.101056
14. 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) https://doi.org/10.1016/j.photonics.2022.101056
15. Серегин П.С., Зубков М.А., Бурмистров О.И. Способ функционирования магнитно-резонансного томографа на основе метаповерхности (варианты) -, RU2776600C1 (год публикации - )
16. Серегин П.С., Зубков М.А., Бурмистров О.И. Магнитно-резонансный томограф с метаповерхностью (варианты) -, RU2776338C1 (год публикации - )
17. - Перовскитные и беспроводные технологии из ИТМО для микроэлектроники и не только PRO Hi-Tech, - (год публикации - )
18. - МЕТАПОВЕРХНОСТИ ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ дайджест РНФ, дайджест #2, 2022 (год публикации - )
19. - МРТ без проводов Коммерсант, 21.04.2022 (год публикации - )
20. - РАЗРАБОТКА УЧЕНЫХ ИТМО УДВОИТ ЭФФЕКТИВНОСТЬ БЕСПРОВОДНОГО ПИТАНИЯ УСТРОЙСТВ В МРТ Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/) Научная Россия, 11 апреля, 2022 (год публикации - )
21. - Разработка ученых ИТМО удвоит эффективность беспроводного питания устройств в МРТ Новости РНФ, 11 апреля, 2022 (год публикации - )
22. - Физики удвоили эффективность работы беспроводных катушек для МРТ ТАСС Наука, 11 АПР 2022 (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Первый блок работ посвящен разработке управляемых метаповерхностей для задач магнитно-резонансной томографии (МРТ). Так, в ходе исследований 2023 года коллективом проекта была предложена геометрия и разработана численная модель адаптивной метаповерхности (компактного “покрывала”) для перераспределения радиочастотного (РЧ) поля внутри аппарата МРТ с постоянным полем 3 Тл. Адаптивная метаповерхность решает задачу улучшения визуализации за счет устранения так называемого “артефакта стоячей волны”, который проявляется при визуализации брюшной полости в МРТ 3 Тл у пациентов с высоким индексом массы тела (ИМТ). Данный артефакт слабо заметен у пациентов с низким ИМТ и существенно проявляется у пациентов с высоким ИМТ, поэтому актуальной задачей является разработка устройства, способного изменять распределение РЧ поля в зависимости от комплекции пациента. При этом устройство должно быть пассивным и легко интегрироваться в стандартные приемные катушки, используемые в МРТ. Результаты проведенного численного исследования доказали работоспособность предложенной концепции устройства и ее безопасность для пациентов.
Кроме того были продолжены работы, связанные с разработкой системы беспроводного питания и предложен принципиально новый подход, основанный на использовании мод высокого порядка резонатора типа «птичья клетка» для активного управления метаповерхностью. Стоит отметить, что подобный резонатор является неотъемлемой частью большинства клинических систем МРТ. Основными преимуществами предлагаемого решения является возможность подключать локальные катушки внутри тоннеля аппарат МРТ беспроводным способом, что позволит увеличить скорость укладки и комфорт пациента во время сканирования за счёт отсутствия РЧ кабелей питания, и отсутствия дополнительной передающей антенны, что снижает себестоимость системы БПЭ для устройств внутри аппарата МРТ и позволяет внедрить эту систему без значительной модификации оборудования стандартного кабинета МРТ. В ходе работы была разработана численная модель, состоящая из двух ортогонально расположенных петлевых антенн, используемых в качестве приёмников и резонатора типа «птичья клетка» – в качестве передатчика, модель которого основана на коммерческом резонаторе Siemens Avanto Body Coil. В ходе численного моделирования были найдены частоты для пяти мод этого резонатора, после чего были рассчитаны схемы согласования для резонатора и системы приёмных антенн на импеданс 50 Ом на частоте исследуемых мод. Была найдена эффективность беспроводной передачи энергии, которая достигает 51% на IV моде, и проведена оценка мощности, которую можно передавать без вреда для пациента (максимальная мощность составила 128 Вт при работе на III моде). В дополнении была предложена схема, обеспечивающая РЧ совместимость для локальных катушек. На основе численной модели был изготовлен прототип системы приемных антенн, а также схемы согласования для резонатора и системы антенн для каждой исследуемой моды. Экспериментальное исследование показало, что эффективности беспроводной передачи энергии достаточно для обеспечения электропитанием большинства локальных приемных катушек, а также для активного управления метаповерхностью.
Второй блок работ был посвящен управляемым метаповерхностям СВЧ и миллиметрового диапазонов с управляющими элементами в виде пин (MADP-000907-14020) и варакторных диодов (SMV2019-040LF). Были построены численные модели бинарных управляемых метаповерхностей для работы на центральных частотах 5.2 ГГц и 25 ГГц с заложенными измеренными свойствами управляемых элементов и получены результаты расчетов их электродинамических характеристик (в частности коэффициентов отражения, диаграмм рассеяния). Были изготовлены экспериментальные прототипы отражательных метаповерхностей и проведены измерения их электродинамических характеристик.
Третий блок работ были ориентирован на разработку уникальных метаповерхностей для построения высокоэффективных систем беспроводной передачи энергии. Была изготовлена и экспериментально исследована двухчастотная метаповрехность, работающая на двух частотах ISM диапазона, а именно 6.78 МГц и 13.56 МГц. Испытания показали, что на обеих частотах метаповерхность создает равномерный профиль поля, который можно использовать для одновременной беспроводной зарядки сразу трёх приемных устройств небольшой мощности (до 5 Вт) одновременно. Кроме того, были предложены уникальные конструкции метаповерхностей для создания систем беспроводной передачи энергии для средств индивидуальной мобильности (самокатов). Несколько вариантов метаповерхностей были применены для формирования равномерного поля на частоте 6.78 МГц. Приемные катушки, расположенные на расстоянии 10 см, что является клиренсом самоката, были использованы для приема энергии. Согласно испытаниям была достигнута RF-RF эффективность 70%.
Публикации
1. А.Башарин, Э.Зангане, А.Оспанова, П.Капитанова, А.Евлюхин Selective superinvisibility effect via compound anapole PHYSICAL REVIEW B, 107, 155104 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.107.155104
2. 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) https://doi.org/10.1063/5.0152815
3. 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) https://doi.org/10.1109/LAWP.2023.3299198
4. 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) https://doi.org/10.1016/j.photonics.2023.101155
5. 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) https://doi.org/10.1063/5.0155677
6. 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)
7. 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) https://doi.org/10.1109/IWS58240.2023.10222022