Схема подключения автономного отопителя планар: Схема подключения фена планар

Самодельная газовая автономка самодельная. Принцип работы автономных отопителей салона автомобиля

Обогрев салона от работающего двигателя предусмотрен во всех легковых автомобилях и большинстве коммерческих автомобилей. Такой обогрев эффективен во время поездки, так как позволяет утилизировать избыточное тепло, образующееся при сгорании топлива. При стоянке автомобиля применение такого обогрева неоправданно, так как снижает ресурс двигателя и приводит к большому расходу топлива, поэтому в качестве альтернативы применяют автономные отопители салона.В этой статье мы расскажем об устройстве автономных отопителей, особенностях их применения и мерах безопасности, которые обезопасят вас от негативных последствий использования этих устройств.

Типы автономных отопителей

Все автономные отопители можно разделить на следующие виды:

• воздушные;
• вода;
• электрические;
• бензин;
• дизель;
• газ.

Основное деление отопителей производится по способу действия — водяные отопители, подключаемые к системе охлаждения двигателя, и воздушные отопители, нагревающие воздух в салоне.Преимущество автономных водяных отопителей в том, что они не только нагревают воздух в салоне, но и поддерживают температуру двигателя, облегчая холодный пуск и избавляя от необходимости его длительного прогрева. Недостатком этих отопителей является больший расход топлива и электроэнергии, т. к. необходимо прогревать не только воздух, но и неизолированный двигатель, быстро отдающий тепло в атмосферу, поэтому для их установка.Если автономный обогреватель используется для обогрева каравана или какого-то строения, то воздушный отопитель в разы эффективнее, ведь для подключения водяного обогревателя придется устанавливать радиатор.

Кроме того, обогреватели различают по способу получения тепла на жидком топливе, газовом и электрическом. В масляных и газовых обогревателях тепло получается за счет сжигания топлива в специальной камере, входящей в состав водяного или воздушного регистра (радиатора). Этот регистр забирает тепло, образующееся при сгорании топлива, и нагревает охлаждающую жидкость, в роли которой выступает воздух или антифриз.Затем насос загоняет охлаждающую жидкость в систему охлаждения или в салон автомобиля.

Такие отопители требуют подключения не только к топливному баку, но и к забортному воздуху, а также к патрубку, обеспечивающему выброс продуктов сгорания в атмосферу.

В электронагревателях нагрев осуществляется с помощью электронагревателя, подключаемого к сети переменного тока напряжением 220 или 380 вольт. Благодаря этому электрические обогреватели более безопасны, но менее автономны, ведь не всегда можно найти свободную розетку.Нередко в магазинах можно встретить автономные обогреватели на батарейках, но покупать их мы не рекомендуем.

Ведь даже для поддержания температуры в салоне нужно не менее 10 ампер в час. Следовательно, аккумулятор емкостью 75 ампер-часов вряд ли сможет создать достаточное напряжение для запуска холодного двигателя через 4–5 часов. Поэтому электрические автономные обогреватели в этой статье описываться не будут. Всю информацию о них можно найти здесь в статье Предпусковой подогреватель двигателя.

Модели и цены обогревателей салона автомобиля 12 и 24 вольта

К наиболее эффективным и популярным моделям относятся следующие:

Установка автономного отопителя на автомобиль своими руками

Установка электроотопителей и отопителей подробно описано в статье (Предпусковой подогреватель двигателя), а установка газового обогревателя своими руками представляет серьезную опасность. Поэтому мы не будем описывать подключение этих устройств, а расскажем о подключении воздушных и водяных отопителей, работающих на бензине и дизельном топливе.

Правила техники безопасности

Планируя установку отопителя, внимательно прочитайте статью (Техника безопасности при ремонте и обслуживании автомобиля). Помните, все провода, патрубки и шланги должны располагаться так, чтобы они никому не мешали и были надежно прикреплены к кузову. Это защитит вас от обрыва цепи, короткого замыкания, утечки топлива или попадания угарного газа в салон. В местах прохождения проводов и шлангов через стенки корпуса обязательно установить защитные резиновые манжеты, которые не позволят повредить провода и шланги об острые края металла.Не реже одного раза в квартал проверяйте герметичность топливного и водяного шлангов и при необходимости подтягивайте хомуты.

Многочасовое ожидание в машине в пробке или, что еще хуже, ночевка в чистом поле на морозе, неизбежно приводит к мысли, что автономный отопитель салона – это отнюдь не прихоть охотника-рыбака или атрибут профессионального водителя RV.

В холодную или слегка морозную погоду каждый час прогреваем двигатель до более-менее комфортной температуры 60-70 градусов.При -20°С приходится каждые 35-40 минут прогревать на средних оборотах, чтобы аккумулятор не сдох. Если на плиту был установлен дополнительный электронасос, используем прогретый мотор как автономный источник тепла. В зависимости от уровня утепления салона и температуры воздуха двигатель остывает за 2-3 часа, салон автомобиля – в два раза быстрее.

После 6 часов ожидания есть риск остаться с пустым баком и разряженным аккумулятором. В поисках защиты от надвигающихся холодов водитель готов купить или сделать своими руками автономный отопитель салона.Ситуация побуждает задуматься о преимуществах дополнительного автономного отопителя салона автомобиля лучше всякой рекламы.

Стоит признать, что стандартная комплектация и комплектация автомобиля не располагают к длительной стоянке на морозе. Мало кто при покупке автомобиля хочет тратиться на дооснащение автомобиля потенциально ненужным агрегатом. Но реальность вносит свои коррективы. Стандартный вариант обогрева салона хорош только в движении.Работа двигателя автомобиля в качестве обогревателя салона малоэффективна, 95% тепла уходит в трубу.

Современные конструкции автономного отопителя для отопления используют следующие варианты:

• тепло воздушных потоков, обтекающих горячий теплообменник, нагреваемый пламенем внутреннего горелочного устройства, этот вариант называется автономным отопителем воздуха салона;
• классический вариант – нагрев воздуха поверхностью теплообменника, через который прокачивается дополнительное количество теплоносителя, нагретого до относительно невысокой температуры;
• нагрев электрическим змеевиком из металлического сплава, керамического элемента или специальной металлизированной ткани из углеродного волокна.

Отопитель воздушный салона автомобиля

Лидер в подборе профессиональных водителей. Стоимость приобретения и установки автономного воздушного отопителя составляет примерно половину стоимости топлива, используемого для прогрева салона в течение года эксплуатации трактора.

Устройство и конструкция воздушного автономного отопителя салона в общих чертах сродни примитивному пусковому отопителю. В отличие от последнего, автономный отопитель использует для обогрева воздух и устанавливается непосредственно в кабине или салоне автомобиля.

Тепло, образующееся при сгорании небольшого количества топлива в камере сгорания, передается через алюминиевый теплообменник воздушному потоку, который нагнетается в салон малошумным вентилятором. Отвод продуктов сгорания осуществляется по металлическому термостойкому шлангу за пределы кабины. Топливо хранится в баке, расположенном, как правило, на задней стенке кабины трактора. В кабине установлены пульт управления и регулятор забора воздуха.В среднем автономное устройство потребляет 200 мл топлива в час при нагрузке на аккумулятор 40-50Вт. Тепловая мощность колеблется от 2 до 7 кВт/ч.

Современные магистральные грузовики и тяжелая строительная техника оснащаются 24-вольтовым дизельным автономным отопителем салона, что связано со спецификой используемого топлива и напряжением бортовой сети. В американских тягачах используется напряжение питания легковых автомобилей, поэтому установлен автономный отопитель салона дизельного питания 12 вольт.

Наиболее авторитетными и уважаемыми являются дизельные автономные отопители салона Airtronic (Eberspacher) и Air Top ST (Webasto). Немецкое качество, безотказность и удобство эксплуатации соответствуют высоким ценам на продукцию. Среди преимуществ фирменных автономных отопителей:

Среди российских моделей стоит отметить собственную разработку самарской компании «Теплостар» — автономный отопитель салона Планара. При невысокой стоимости отличается неприхотливостью и надежностью.Он работает на дизельном топливе и управляется вручную с пульта дистанционного управления в салоне автомобиля. Модель отопителя «Планар-4Д», потребляя 0,12-0,4 л дизельного топлива в час, способна обогревать салон автобуса на 30 мест.

Газовый отопитель салона

Следует отметить, что у дизельных и бензиновых автономных отопителей салона есть серьезный конкурент – газовый отопитель салона автомобиля, использующий в качестве топлива природный газ или пропан-бутан. Стоит отметить устройства автономного отопления кабины немецкого разработчика – компании Trumatic, продукция которой отличается:

• самый тихий, практически бесшумный режим работы,
• высокий КПД – 97%;
• полное отсутствие характерного для дизельного топлива запаха продуктов сгорания.

К сведению! По условиям эксплуатации автономный газовый обогреватель допускается к использованию даже в жилых или временно заселенных помещениях.

Бензиновые автономные отопители применяются в основном при низких температурах и сильных морозах в северной климатической зоне.

Это так просто?

При внешней простоте принципа обогрева воздушный автономный отопитель вряд ли можно рассматривать как дополнительный отопитель салона, доступный для изготовления своими руками.В условиях самодельного производства выполнить требования:

• к качеству сварки элементов с учетом особенностей тепловой нагрузки и деформации сопрягаемых элементов практически очень сложно;
• на надежность систем управления, необходимых для работы автономного отопителя;
• для предотвращения отклонений от заданного режима горения, образования большого количества угарного газа, выгорания стенок камеры и, как следствие, смешения продуктов горения и нагретого воздуха;
• для обеспечения контроля процедуры запуска без риска возгорания.

К сведению! В некоторых охотничьих домиках на колесах есть конструкции, в которых в качестве автономного обогревателя используются переделанные бензиновые или газовые паяльные лампы и печки. Но это скорее исключение из правил. Этот метод не требует автоматизации и специального контроля, но вряд ли может быть использован в легковых и грузовых автомобилях.

Еще один вариант организации обогрева

Классический вариант автономного отопителя представляет собой схему, когда в отопительном приборе одновременно собраны два контура — контур подогрева антифриза двигателя и теплообменник охлаждающей жидкости, направляемой в систему обогрева кабины.

Возможны варианты автономной системы отопления с небольшими доработками, имеющие подключаемый утепленный бак или бак горячей воды в системе отопления салона. Такой котел играет роль одновременно теплоаккумулятора и источника горячей воды. Дополнительный насос качает и нагревает бак, работая в режиме котла. Такой автономный обогреватель чаще всего используется для мобильных жилых помещений – домов на колесах.

Третий вариант

Электрический автономный отопитель, в просторечии именуемый «феном», используется для быстрого прогрева салона при низких температурах воздуха.Если в вашем автомобиле аккумулятор емкостью не менее 75 Ач, используйте электрообогреватель салона автомобиля, который конструктивно является 12-вольтовым аналогом фена, с той разницей, что вместо домашней сети 220 В, используется напряжение 12 В от аккумуляторной батареи и генератора. машина. Африканского зноя в салоне ждать не стоит, но во время прогрева печки автомобиля до нужных 70-80°С такой автономный обогреватель салона, работающий от прикуривателя, незаменим, если нужно срочно прогреть салон. блокировать или удалять иней с замерзшего стекла.

Недостатки «фена»:

• низкая тепловая мощность и скорость нагрева;
• необходимость наличия «здоровой» и полностью заряженной аккумуляторной батареи и работающего генератора.
• ТЭН «фена» нагревается до высокой температуры и частично сжигает кислород воздуха в салоне.
• При обращении с обогревателем необходимо соблюдать осторожность, чтобы исключить возможное попадание горючих веществ на нагревательный элемент.

Автономный электроотопитель салона автомобиля проще всего сделать своими руками с помощью электровентилятора, работающего от прикуривателя.

Наиболее распространенной и доступной конструкцией нагревателя является схема, состоящая из 12-вольтового вентилятора-кулера, используемого в блоках питания и системах охлаждения компьютеров, и нагревательной панели. Последняя выполнена в виде каркаса или трубы из негорючего и диэлектрического материала. Подойдут элементы крышек и корпусов мощных электростартеров из текстолита или стеклопластика.

Как вариант, в качестве нагревательного элемента для автономного отопителя можно использовать нихромовую спираль, натянутую на специальные монтажные керамические чипы.При этом панель может быть изготовлена ​​из любого термостойкого материала.

Совет! Если электровентилятор дополнить низкоомным переменным сопротивлением, то получится автономный электроотопитель салона с регулируемой скоростью и температурой воздушного потока.

Наш дополнительный обогреватель салона питается от прикуривателя и напряжением 12 В, поэтому в конструкции используем низкоомный нихромовый провод:

• измеряем тестером сопротивление 1 м провода ;
• для получения максимального тока 5 А отрезаем отрезок нихрома сопротивлением 2 Ом и делаем спираль, наматывая проволоку на стержень или карандаш;
• полученную спираль немного растянуть так, чтобы расстояние между витками спирали было не менее 2-3 толщин проволоки;
• Исходя из полученной длины спирали, размеры нагревательной панели подберем такими, чтобы в поперечном сечении каркаса было не менее 4-5 рядов нагревательного элемента.
• закрепить спираль на монтажной раме, установить вентилятор и подключить к выходным контактам двухжильный шнур с сечением провода не менее 1,5 мм 2 .

После сборки конструкции автономного электрообогревателя тестируем его, кратковременно подключив к клеммам аккумулятора. При правильном монтаже змеевик отопителя не должен прогреваться до «красного» состояния, направление потока воздуха, подаваемого вентилятором, должно соответствовать расчетному.В противном случае необходимо изменить полярность подключения и учесть при подключении вилки к прикуривателю.

Важно! Позаботьтесь о качестве контактов проводки, так как вентиляторы-кулеры от компьютерной техники легко выходят из строя при искрении контактов или кратковременных скачках напряжения.

Видео как сделать обогреватель салона своими руками:

Помните, как возмущался великий Менделеев: «Нефть не топливо, можно и денежными купюрами топить!» Но тогда масштабы добычи и сжигания этого ценного химического сырья не шли ни в какое сравнение с нынешними.Даже сегодня, когда почти весь транспорт работает на нефтепродуктах, отопительные котлы и котлы на мазуте считаются роскошью от нищеты и безысходности – в развитых странах используются гораздо более дешевые и возобновляемые источники энергии. Но все эти макроэкономические истины перечеркиваются простой бытовой ситуацией: ночь, мороз, КАМАЗ с грузовиком на обочине… той степи, и глухой, амерзальный ямщик…», повторяет судьба героя народной песни?

Деньги на ветер

На холостом ходу двигатель КАМАЗ съедает около 8 литров топлива в час, а двигатели большинства грузовиков-тягачей, молотя на месте, не отличаются особой экономичностью.Простые подсчеты показывают, что даже в умеренном климате средней полосы России каждый сезон на обогрев кабины во время ночных остановок уходит «в трубу» не менее 60 000 рублей! С каждой машины. И это без учета стоимости преждевременного капитального ремонта двигателя, сотен часов на холостом ходу трущихся цилиндров о поршни. Что уж говорить о наших северных регионах, где во времена госсолярки существовала «добрая» традиция заводить двигатель в конце октября, чтобы заглушить его в начале апреля… Обойтись без такого варварства помогали предпусковые подогреватели, а для грузовиков в армейском исполнении выпускали «автономные транспортные средства» с подачей продуктов сгорания в поддон двигателя, что при отсутствии текущих масел обеспечивало плавление гелеобразный М8Г2 и последующий пуск даже в трескучий мороз.Однако предпусковой не решает проблему обогрева кабины — прогоняя нагретый антифриз по системе охлаждения, он рассеивает большую часть мощности — на менее 14 кВт из 15 вырабатываемых — в моторном отсеке, то есть греет в основном окружающую среду.К тому же предпусковая будет греть штатную камазовскую «печку» одновременно с тяжелым мотором, то есть очень долго и максимально — до 60 градусов. Что в сильный мороз явно не хватает — даже за рулем сидеть будет холодно, не говоря уже о спальном месте. Да и рев 15-киловаттной горелки не очень способствует крепкому и здоровому сну. Есть у автономных жидкостных отопителей и объективный технический недостаток — высокое (90-130 Вт) потребление электроэнергии водяным насосом — нередки случаи, когда старый аккумулятор утром оказывается полностью «посаженным», и вместо того, чтобы отправиться в линии в теплой кабине водителю придется возиться с проводами и катюшами.Неслучайно при заводской опциональной установке предпусковых выключателей, например, на немецкие автомобили, в комплекте с отопителем обычно идет дополнительный аккумулятор. Другое дело воздух «автономный», работающий по принципу фена, как, кстати, он называется на водительском сленге. Охлаждение теплообменника потоком воздуха, забираемого из салона и естественным образом поступающего обратно в салон, происходит не так интенсивно, как при жидкостном, поэтому при одинаковой мощности «фен» получается габаритнее предстарт.Но мощность последнего ему не нужна, так как почти вся энергия сгоревшего топлива (за исключением 3-5%, которая уносится нагретыми до 300-400°С отработавшими газами) выделяется в виде тепла в кабине автомобиля, затем рассеиваясь в окружающую среду его стенками и стеклами. Двух киловатт «летчика» вполне достаточно, чтобы устроить настоящий «Ташкент» водителю магистрального грузовика или водителю автокрана, экскаватора и т. д. При мощности в 4 кВт тепла более чем достаточно даже для зимние ночевки в Якутии, но 8-9 киловаттные агрегаты отапливают салоны больших автобусов.В несколько раз меньший объем пламени обеспечивает тихую работу — нет рева «паяльной лампы», как у жидкостного обогревателя, от него не остается и следа. Энергию от аккумулятора потребляют только маломощные потребители — даже в 4-киловаттном режиме максимальной мощности ток от 24-вольтового аккумулятора не превышает 2 А, а при мощности 1,5 кВт — всего 0,5 А. То есть за долгую зимнюю ночь батарея не израсходует и двадцатой части своей емкости. Расход топлива в таком умеренном режиме будет около 0.2 литра в час, то есть в 40 (!) раз меньше, чем у двигателя КАМАЗ на холостом ходу. Но не только экономика играет в пользу автономного отопителя — немаловажна и растущая нетерпимость общества к загрязнению воздуха. Европейская культура постепенно проникает в среду наших дальнобойщиков — многие из них, объездив весь мир и установив в свои кабины всякие «аэртроники», уже начали забывать, как когда-то кашляли по ночам, вдыхая сизый дым от собственного и соседние дизельные двигатели.Сегодня, не заглушив двигатель на коллективной стоянке, вы рискуете через пять минут услышать стук бейсбольной биты в дверь. И устроишься со своим дребезжанием на ночь в городе, пустую бутылку кинут с балкона сразу «на поражение» — в крышу салона. Без предупреждения бросать на асфальт… И не удивляйтесь, что это немцы с их теплыми зимами, около нуля градусов, поднаторели в производстве автономных отопителей.Да, в Европе дальнобойщики — все без исключения — спят в благоустроенных трехзвездочных мотелях, но им же приходится часа два простоять на складе или таможне под промозглым балтийским ветром. А чем еще можно согреться, как не «феном», когда закон запрещает молотить на холостых? В России путь распространения воздухонагревателей мучителен, долог и тернист – у людей этого типа «печка» прочно ассоциируется со словом «запорожец» и субъективно воспринимается как некачественная по своей сути вещь. .У опытных шоферов свежи в памяти картины «горбатых» и «ушастых» людей, которые вдруг закуривают прямо по дороге, а у кого-то навсегда запечатлелся вид горящего бензинового переулка, бегущего за машиной с ничего не подозревающим водителем… Шадринский автоагрегатный завод выпускал в Мелитополе микроавтобусы) заставил владельцев искать любую альтернативу, вроде наматывания толстого медного провода на выхлопные трубы для непосредственной передачи тепла в салон — лишь бы избавиться от ненавистного, раздражающего запаха бензин и сгорание агрегата.Но прошли годы, захлестнула волна «подержанных» иномарок, в том числе и микроавтобусов, и Россия наконец-то узнала, что такое автономный отопитель «сделанный своими руками». В умелых руках…

Все гениальное просто

Итак, рассмотрим подробно устройство «воздушника». Принцип работы у изделий разных производителей одинаков — топливо подается выносным электромагнитным насосом, вмонтированным в магистраль ближе к баку (накачать всегда проще, чем всосать), дозировано, под управлением электроники , поступает в камеру сгорания, а точнее в испаритель.Последний представляет собой жаростойкий корпус с достаточно большой площадью поверхности — обычно это пакет из проволочной сетки из тугоплавкой «нержавейки». Перед испарителем установлена ​​электрическая свеча накаливания с керамическим стержнем (открытые катушки остались в прошлом). Воздух в камеру сгорания подается нагнетателем с приводом от вала электродвигателя, на входе стоит электронный блок управления, холодный конец отопителя — его микросхемам не грозит перегрев. Ребра на наружной поверхности теплообменника, куда попадают горячие газы из камеры сгорания, обдуваются воздухом из салона — его приводит в действие вентилятор, закрепленный на валу двигателя за крыльчаткой нагнетателя.От блока к пульту управления, установленному на приборной панели, прокладывается жгут проводов, а так как канал связи на современных блоках обычно цифровой, то достаточно всего трех жил: «плюс», «минус» и сигнал. Поворотной ручкой или кнопками на пульте можно задать несколько режимов работы отопителя – в зависимости от выбранного процессора процессор установит необходимую скорость вращения вентилятора и объем подачи топлива. За поддержанием температуры следят датчики: один может быть встроен в щит управления или на входе воздушного потока в обогреватель, другой выносной, и его размещают, например, возле спального места, протягивая отдельный жгут проводов там.Датчик перегрева теплообменника (термовыключатель) является предохранительным элементом, он подает сигнал на блок управления, требуя прекратить подачу топлива.

При включении отопителя процессор производит диагностику всех систем и запускает программу. Напряжение на свече накаливания постепенно увеличивается, затем в камеру сгорания подается топливо и воздух, начинается процесс горения, управляемый блоком управления по сигналам датчика пламени, встроенного в теплообменник. Когда горение стабилизируется, свеча гасится, и далее пламя поддерживается непрерывной подачей топлива.Если по каким-то причинам воспламенения не произошло — например, из-за загустевания летней солярки в мороз, весь цикл автоматически повторяется. После двух неудачных попыток нагреватель автоматически отключается, на панели управления загорается индикатор, и по команде процессора нагнетатель несколько минут продует камеру сгорания. Потом можно попробовать еще раз зажечь. Однако если топливо соответствует сезону, то такие нештатные ситуации на современном отопителе, который регулярно очищается от нагара, крайне редки, и после розжига блок управления поддерживает горение на максимальном режиме, сравнивая значение температуры, установленное водителем на пульт управления температурой воздуха в кабине.Если последний ниже установленного, подогреватель продолжает работать на «полных газах», а при достижении нужного подача топлива уменьшается. Бывает, что в салоне становится даже жарче, чем требуется, — тогда процессор дает бензонасосу передышку, а нагнетателю приказывает нагнетать свежий воздух в камеру сгорания. При снижении температуры, например, на 2 градуса ниже установленной регулятором, подается цифровая команда: «Махмуд! Подсвети это! Как видите, заявленная автономность воздушных отопителей всех без исключения фирм весьма условна, так как любой такой агрегат жестко привязан к автомобильному аккумулятору, а выход из строя аккумулятора вдали от населенных пунктов чреват смертью и Водитель.Тем не менее, конструкторы не спешат создавать полностью самостоятельные «фены», хотя, на первый взгляд, технических препятствий для этого нет. Действительно, какие 40 ватт потребляются от аккумулятора, если при сгорании топлива выделяется лишнее 2 киловатта? Почему нельзя вращать вал потоком горючих газов, зачем «фену», вообще, нужен электродвигатель? А термопара полностью потянет и бензонасос, и электронику.Зажигание — пиропатроном. И батарея не нужна. Увы, не все так просто. Далекое сходство «воздушника» с газотурбинным двигателем ни о чем не говорит, и, заставив пламя не только нагреваться, но и вращаться, мы приобретем почти неразрешимую проблему шума. То есть спать придется под реактивный вой. Не говоря уже о неизбежных сложностях с отбором тепла от выхлопных газов, ведь никому не нужна «печка», которая жрет топливо, как самолет.Да и по уровню техники турбина и фен, мягко говоря, отличаются — салонный обогреватель тысяч эдак за двадцать (евро) вряд ли найдет спрос. Так что полностью автономных «летчиков» в обозримом будущем ожидать не стоит.

Отопитель воздушный: выбери меня

А теперь об особенностях отопителей конкретных марок. Стандартными считаются немецкие «автономии» Webasto и Eberspaeher — многие технические решения, реализованные инженерами этих фирм, регулярно появляются на продукции конкурентов — с лицензиями или без них.Главной особенностью чистокровных немцев является неразъемный алюминиевый теплообменник, такая конструкция обеспечивает наилучший КПД агрегата, но требует достаточно высокой культуры производства. Цены на обогреватели обеих фирм примерно одинаковые – около 29 000 рублей за 2-киловаттный «воздушник» и около 37 000 рублей за 3,5-4-киловаттный. Одно из не принципиальных отличий разных конструкторских школ заключается в форме испарителя: Webasto размещает его по периметру камеры сгорания, а Eberspeher — в конце.В активе Webasto — бесколлекторный электродвигатель, малошумный вентилятор и камера сгорания с термостойкой металлокерамической прокладкой. Широкий диапазон допустимых положений позволяет устанавливать обогреватель под углом до 90 градусов от горизонта. «Конек» Вебасто – это удобная диагностика: по сигналам переключателя или таймера, по анализу выхлопных газов или с помощью компьютера. Система самодиагностики отображает неисправности, выдавая один из 15 кодов. Регулятор температуры одновременно является переключателем отопления.Опционально возможен внешний датчик температуры на кабеле длиной до 5 м. В комплект «Комфорт» входит таймер, который включает обогреватель в установленное время. Air Top — так Webasto обозначает большинство моделей своей линейки «воздушников». Современные модели воздушных отопителей Eberspaecher называются Airtronic – достаточно четырех, чтобы перекрыть диапазон мощностей от 2 до 8 кВт. Среди достоинств — высокий КПД и бесшумный вентилятор с бесступенчатой ​​регулировкой скорости. В список опций входит система дистанционного радиоуправления с дальностью действия до 1000 м.

Чешская компания Brano представлена ​​двумя моделями: 2-киловаттным Breeze III и вдвое более мощным Wind III. Конструкция теплообменника как у немцев, то есть алюминиевое литье, да и цены более привлекательные. Регулировка температуры плавная – от 15 до 30°С, среди опций есть таймер.

«Вентиляторы» фирмы Mikuni — той самой, что славится своими карбюраторами — экзотика на нашем рынке. Конструкция добротная, так как основана на лицензии Eberspaecher, но отсутствие такой широкой сети сервисных центров, как у немцев, пока сдерживает распространение отопителей, славящихся своим японским качеством.

Старейший отечественный производитель автономных отопителей – ШААЗ. Древняя и очень нетехнологичная, как и положено в «оборонке», конструкция шадринских теплообменников (они сварены вручную из нержавейки) имеет одно существенное преимущество перед немецким литьем — гибкость производства. Освоить нагреватель спецназначения и особой конфигурации для завода проще простого — был бы заказчик с деньгами. Покупатель крупнотоннажного отопителя может рассчитывать только на квалификацию сварщиков – если теплообменник изготовлен на совесть, не будет свищей и других дыр, чреватых проникновением угарного газа в салон.В производственной линейке ШААЗ осталось 5 моделей «воздушников» традиционной конструкции — мощностью от 2 до 11 кВт, и, кроме того, в серию пошли два новейших агрегата с электронным управлением: на 2 и 8 кВт. Но они намного дороже, например, 02 стоит 16 000 рублей против 10 000 рублей за О15 равной мощности.

Наоборот, на заводе «Эльтра-Термо» во Ржеве применили самое передовое решение, сделав теплообменник неразъемным, как у немцев.При этом алюминиевые ребра в нем полые, то есть поверхность, обогреваемая изнутри горючими газами, оказалась значительно больше, чем у теплообменников зарубежных аналогов, что дает хорошие перспективы для повышения КПД. Пока у ржевцев только одна «воздушная» модель — «Прамотроник-4Д-24». В комплект за 13 000 рублей входит бак на 12 литров для автономного питания «печки», солярка, разбавленная бензином — в сильный мороз.

Самарский завод «Адверс», поставляющий свои отопители «Планар» для сборки автомобилей КАМАЗ, автокранов и другой спецтехники, предлагает «воздушники» не только в 24-, но и в 12-вольтовом исполнении, т.к., например, американские грузовики имеют «легкое» напряжение бортовой сети.

Особенностью конструкции является сборный алюминиевый теплообменник из двух половин. Цена комплекта с баком на 7,5 литров 12 500 руб. На рынке есть газовые обогреватели – их производит немецкая компания Truma. Спрос на такие весьма ограничен, но для старого бензинового трактора, переделанного на пропан-бутан, ничего лучше 2,4-киловаттного агрегата Trumatic E 2400 придумать нельзя.

Работающая печка в машине это очень хорошо, особенно если на улице зима. Ведь управлять автомобилем, когда в салоне холодно, очень неудобно, а иногда и опасно.Но зачастую обычные штатные плиты требуют для эффективной работы много электроэнергии и топлива. Для снижения расхода топлива автовладельцы стали использовать дизельный автономный отопитель салона на 12 вольт. Эти устройства имеют ряд серьезных преимуществ перед обычными печами. Одним из преимуществ является экономия заряда батареи и топлива.

Что это за устройство

Автономные отопители — агрегаты, предназначенные для нагрева воздуха в салоне автомобиля или технологических жидкостей в автомобиле при выключенном двигателе.В зависимости от того, что должен обогревать отопитель, он подразделяется на несколько видов:

Автономный воздушный отопитель салона предназначен для обогрева только воздуха салона.

Это обычный тепловентилятор, который качает горячий поток. Подогреватели для подогрева жидкости могут прогревать антифриз в системе охлаждения даже тогда, когда он не активен, а также топливную систему. Это важно для дизельных силовых агрегатов. Также жидкостный автономный отопитель используется для обогрева салона, в том числе и лобового стекла.Автономные масляные обогреватели предназначены для прогрева маслопроводов в системе. Это значительно упрощает запуск двигателя в сильные морозы.

Стоит ли устанавливать

Если говорить о рациональности установки такого оборудования, то это зависит от того, как часто автомобиль эксплуатируется зимой. Если владелец ездит на машине всего несколько раз в течение месяца, то дизельный автономный отопитель на 12 вольт не нужен.

Для прогрева рабочих узлов также можно использовать стандартные штатные средства.Если вам приходится путешествовать каждый день, то дополнительная система отопления существенно поможет сэкономить, а также поможет сохранить здоровье. Дизельный автономный отопитель на 12 вольт особенно актуален для водителей грузовиков и тех, кто работает в такси.

Сколько можно сэкономить

При интенсивном использовании автономных печей можно сэкономить от 25 до 100 литров топлива за сезон. Но у каждого свой процент экономии. Это зависит от того, как эксплуатируется автомобиль, от стиля вождения, а также от типа установленного оборудования.

Классификация автономных транспортных средств по видам топлива

Автомобильные отопители отличаются своей функциональностью. Но их также можно классифицировать по типу топлива, на котором работает эта техника. Различают устройства и по мощности. Так, есть дизельный автономный отопитель салона на 12 вольт, есть электроприборы, есть бензиновое оборудование.

Электрооборудование на 12 и 24 В

Большинство современных автономных шкафов, находящихся в эксплуатации у современных автомобилистов, рассчитаны на работу при напряжении 12 или 24 В.Для многих не совсем понятно, что покупать, и что будет эффективнее и безопаснее.

Однако все очень просто. Маломощные 12-вольтовые устройства предназначены для установки в легковые автомобили. Они идеально подходят для включения в бортовую сеть автомобиля. При этом мощности вполне достаточно для обогрева небольшого пространства салона. 24-вольтовое оборудование предназначено для использования в грузовых автомобилях.

Подогреватель газовый

Данная группа оборудования работает на сжиженном газе.За счет его сгорания приводится в действие специальный вентилятор. Последнее обеспечивает естественные процессы циркуляции воздуха в салоне. Воздух нагревается до определенных температур. Чтобы ускорить этот процесс, многие устройства имеют дополнительные вентиляторы.

Эти устройства могут работать даже при выключенном двигателе. Прибор также не нуждается в электрической энергии, чего нельзя сказать об обычной плите. Так что, даже если вам нужно долго стоять на одном месте, батарея не разрядится, а водитель не зависнет.

Среди достоинств данного оборудования полное отсутствие электроники и высокая надежность конструкции. При этом устройства не представляют опасности для водителя. В процессе горения воздух забирается с улицы. Выхлопные газы также выбрасываются в атмосферу. Чтобы обеспечить этому обогревателю возможность работы, необходимо лишь оснастить его баллонами. Учитывая разницу в цене между сжиженным газом, бензином и дизельным топливом, это довольно выгодное решение.

К недостаткам можно отнести возможность обогрева только салона. На какой автомобиль можно установить такой автономный отопитель салона?

Такие агрегаты устанавливаются на ГАЗель очень часто. Устройство устанавливается в кабине, под пассажирскими сиденьями.

Бензиновые отопители

В этой категории оборудования чаще встречаются не салонные отопители, а предпусковые подогреватели двигателя. Устройства компактны, а за счет того, что чаще всего располагаются под капотом, их работа бесшумна.Такое оборудование способно разморозить лобовое стекло. Что касается расхода топлива, то он составляет примерно 0,5 л/ч.

Бензиновые отопители салона рекомендуются, если необходимо отапливать только большие пассажирские салоны. Для небольших машин эффект сжигания бензина будет слишком высок. Лучше в этом случае использовать дизельный автономный отопитель на 12 вольт.

Дизельный автономный

По устройству и принципу работы такое оборудование практически не отличается от бензинового.Недостаток – дизель может плохо гореть в сильный мороз. Поэтому иногда могут возникнуть сложности с запуском таких устройств. Но современное оборудование, например, немецкий автономный отопитель салона на 12 вольт дизель «Вебасто», защищено от таких проблем.

Принцип работы автономной печки

Неважно, на каком топливе работает то или иное устройство, ведь принцип работы обогревателей одинаков. Топливо, которое подается электромагнитным насосом, врезанным в магистраль возле топливного бака, подается определенными дозами в камеру сгорания — в специальный испаритель.

В качестве последнего может использоваться устойчивый к высоким температурам корпус с большой площадью поверхности. В некоторых моделях это сетчатый пакет из нержавеющей стали. Если рассматривать автономный отопитель салона на 12 вольт дизель «Планар», то здесь в качестве испарителя используется пластинчатый теплообменник.

Перед ним находится свеча накаливания. Воздух поступает в камеру сгорания отопителя через специальный нагнетатель. Ребра испарителя обдуваются вентилятором, за счет чего и нагревается салон.Современные устройства оснащены электронными блоками управления. Они защищают печь от перегрева и автоматически регулируют температурный режим.

При включении водителем автономного отопителя 12 вольтового дизеля «Планар» (или любого другого) проводится диагностика электроники и запуск. На свече накаливания возникает напряжение. Далее топливная смесь подается в камеру. Процесс горения контролируется электроникой и датчиками. Когда горение станет стабильным, свеча накаливания выключится.

«Планар 4Д»

Это дизельные воздушные отопители салонов мощностью 4 кВт. Можно установить температуру и скорость потока. Модель 4Д-12 подходит для автомобилей с бортовой сетью, рассчитанной на 12 В. «Планар 4Д-24» предназначен для грузовых автомобилей и автобусов.

В режиме максимальной мощности обогреватель способен обогревать воздух в салоне малых автобусов. При работе уровень энергопотребления до 4 А/ч, что не критично.

Webasto

Под этой маркой выпускаются одни из самых популярных отопителей мощностью до 2 кВт.Особенность серии Air Top 2000 ST в том, что техника может работать на разных видах топлива. Имеются регулировки температурного режима и подачи воздуха. При работе система потребляет не более 4 А/ч энергии. Для желающих приобрести такой автономный отопитель салона на 12 вольт дизель средняя цена 50 тысяч рублей.

Продукция «Вебасто» считается стандартной. Особенность именно этого оборудования в цельном алюминиевом теплообменнике, что способствует практически максимальному КПД.Конструкция такова, что обогреватель можно удобно установить под капот автомобиля.

Автономное отопление в салоне автомобиля своими руками — возможно ли

Если посмотреть на принцип работы дизельного и бензинового оборудования, то можно сказать, что устройство достаточно простое. На самом деле, имея некоторый опыт, можно собрать дизельный автономный отопитель салона на 12 вольт своими руками. Но у него не будет электронного блока управления. А если и будет, то без всех функций, которые есть в системах от известных производителей.Если вам не нужна электроника, то собрать конструкцию не составит труда.

Как установить нагреватель

Процесс установки прост. Необходимо найти место для устройства, подключить систему к топливной магистрали, затем сделать трубопроводы забора воздуха и выхлопных газов. Последний выйдет на улицу. Дальше останется только подключить электронику и электрические провода.

Возможна установка автономного отопителя салона своими руками.Для этого не нужно обращаться к специалисту. Однако гарантии на установку также не будет.

Заключение

Итак, мы выяснили, что это за обогреватель. Автономность – очень полезная вещь, особенно если вы часто эксплуатируете свой автомобиль зимой. Его использование не требует работы двигателя и штатной печки. Оборудование полностью автономно. Установка под ключ в специализированных сервисах обойдется примерно в 50-70 тысяч рублей. Самый дешевый вариант – Планар на 12 Вольт.Устройство подходит для легковых автомобилей и микроавтобусов.

Давно известно, что комфортная температура для водителя находится в пределах +21…23 градуса по Цельсию. Низкие температуры отрицательно сказываются на концентрации и внимательности во время вождения, вызывая раздражительность. А езда в условиях ограниченной видимости из-за обледенелых стекол влияет на безопасность.

Если вам хоть раз приходилось добираться до своей машины на стоянке в сильные морозы или просто сидеть в обледенелом салоне автомобиля, только что выйдя из теплого дома, то вы не понаслышке знаете, что это чувство не из приятных.А как бы хотелось согреться в этот момент. Можно, конечно, побегать вокруг машины или оставить снег, пока салон прогревается, но есть и менее радикальные методы. Выход как всегда есть и давно известен автомобилистам — автономный, который с удовольствием подарит комфорт.

Обогреватель салона своими руками (12 вольт)

На рынке представлен широкий ассортимент различных отдельностоящих печей различных типов и компоновок. Все они имеют свои плюсы и минусы. Но если вы живете по принципу Фердинанда Порше: «Хочешь сделать что-то хорошо, сделай это сам», то информация из этой статьи будет для вас очень полезной.Итак, сразу к делу.

Для сборки автономного отопителя салона не нужно изобретать велосипед. Достаточно ознакомиться с давно известными нам способами воздушного отопления и адаптировать их под необходимые требования. Начнем с того, что нам нужно:

1. Источник питания;
2. Нагревательный элемент, преобразующий поглощенную энергию в тепло;
3. для создания потока теплого воздуха;
4. Механизм управления отопителем;
5. Предохранитель.

В качестве источника питания отопителя 12 В возьмем аккумуляторную батарею (АКБ) и автомобильный генератор. Советуем обзавестись индикатором заряда аккумулятора, так как автономная печь будет хорошим потребителем энергии.

Выбор ТЭНа так же очевиден, как и любого ТЭНа — нихромовый змеевик. Благодаря своим свойствам нихром (сплав никеля и хрома) обладает высоким сопротивлением, но все же является проводником, поэтому при подаче электрического тока сильно нагревается.

Для создания притока воздуха воспользуемся обычным кулером, например, от компьютерного блока питания.Можно использовать тот же корпус блока питания, что и . А расположенная на ней кнопка служит механизмом управления отопителем (для корректной и безопасной работы она должна быть подключена через реле).

Схема подключения дополнительного отопителя должна быть прервана предохранителем требуемого номинала. Чем ближе он к аккумулятору, тем меньше вероятность повредить проводку автомобиля в экстренной ситуации.

С общим дизайном разобрались. Но этого, как показывает практика, недостаточно.Также важно подобрать сопротивления нагревательных элементов и схему их подключения, чтобы не допустить перегрузки бортовой сети. Что, в итоге, приведет к разряду аккумулятора. Постараемся найти оптимальный ток потребления. Например, для автомобиля Daewoo Lanos с генератором Bosh или Hella ток зарядки 85 А. Для такого источника питания ток потребления 10-15 А будет практически незаметен.

Приступим к самой сборке.Монтируем весь автономный обогреватель в корпус блока питания компьютера. Нихромовые спиральные нити крепим к керамической плитке с помощью болтов и гаек. При укладке плитки в корпус главное следить за тем, чтобы поток воздуха проходил через нагревательный элемент, забирая его тепло.

Важно подобрать сечение проводов для подключения с учетом расчетной силы тока. Например, для медного провода на 10 А нужен 1 кв. сечение мм.Предохранитель также подбирается по расчетной силе тока.

Двенадцативольтовый автономный отопитель салона доставит владельцу в два раза больше удовольствия, так как он не только сделал свой автомобиль комфортнее, но и сэкономил бюджет. Теперь вам не страшны никакие морозы и страх, что штатный отопитель выйдет из строя в самый неподходящий момент. При выходе из строя обогрева заднего стекла его можно обогреть аналогичным обогревателем. Однако не забудьте утеплить свой автомобиль. Для этого нужно заменить старые уплотнители дверей, а также обработать автомобиль теплоизоляцией, чтобы он не отдавал в атмосферу драгоценное тепло.

Заявка на патент США для ПЛАНАРНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ЛУЧА И НАПРАВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ФАР РЕШЕТКИ И СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЖЕ ПАТЕНТНОЙ ЗАЯВКИ (Заявка № 20150378241 от 31 декабря 2015 г.)

Настоящее изобретение в целом относится к области зондирования окружающей среды и, в частности, к использованию времяпролетных (ToF) лидарных датчиков для трехмерного картографирования в реальном времени. обнаружение, отслеживание, идентификация и/или классификация объектов.

Лидарный датчик представляет собой датчик обнаружения света и измерения расстояния. Это оптический модуль дистанционного зондирования, который может измерять расстояние до цели или объектов в сцене, облучая цель или сцену светом, используя импульсы (или, альтернативно, модулированный сигнал) от лазера и измеряя время, которое требуется фотонам. для перемещения к указанной цели или ландшафту и возврата после отражения к приемнику в лидарном модуле. Отраженные импульсы (или модулированные сигналы) обнаруживаются, при этом время прохождения и интенсивность импульсов (или модулированных сигналов) являются мерами расстояния и отражательной способности воспринимаемого объекта соответственно.

В обычных лидарных датчиках используются механически движущиеся части для сканирования лазерных лучей. В некоторых системах, в том числе определенных системах, используемых в автомобильной промышленности, таких как усовершенствованные системы помощи водителю (ADAS) и автономные системы вождения, предпочтительно использовать твердотельные датчики из-за множества потенциальных преимуществ, включая, помимо прочего, более высокую надежность датчика, более длительный срок службы. срок службы датчика, меньший размер датчика, меньший вес датчика и более низкая стоимость датчика.

Радиочастотные (РЧ) линии задержки, используемые для создания радарных фазированных решеток, использовались несколько десятилетий назад для твердотельного управления радиолокационными сигналами.Линии задержки на основе фотонных интегральных схем (PIC) в сочетании с детекторами и радиочастотными антенными решетками использовались два десятилетия назад для повышения точности задержек при твердотельном управлении радиолокационными сигналами. PIC с микро- и наноразмерными устройствами могут использоваться для создания оптических фазированных решеток (OPA), содержащих перестраиваемые оптические линии задержки и оптические антенны, для твердотельного управления лазерными лучами.

Фазированные решетки в оптической области, которые производятся в настоящее время, сложны, дороги и/или имеют другое назначение, чем формирование луча и управление лучом; некоторые объединяют пространственные фильтры, оптические усилители и кольцевые лазеры (У.С. Пат. № 7,339,727), некоторые включают множество оптических входных лучей (патент США № 7,406,220), некоторые включают объемные дифракционные решетки и множество входных направлений (патент США № 7,428,100), некоторые объединяют лучи множества длин волн (патент США № 7436588), некоторые имеют оптические опорные источники фазы и элементы усиления (патент США № 7489870), некоторые имеют заданные области в поле зрения и множество элементов формирования луча (патент США № 7532311). ), а некоторые имеют несколько частот и несколько опорных источников оптической фазы (U.С. Пат. № 7,555,217).

Двумерные фазированные решетки для формирования и управления лучом в оптической области, которые производятся в настоящее время, имеют низкую производительность и являются дорогостоящими, поскольку они управляются в двух измерениях со сложной двумерной матрицей пикселей.

Одномерный (1D) планарный чип оптической фазированной решетки, формирующий и управляющий лучом, представляет собой простой строительный блок двумерного (2D) формирующего луч и направляющего твердотельного лидара, позволяющий изготавливать указанный лидары с высокой производительностью и низкой стоимостью за счет использования множества упомянутых чипов.Инновационные архитектуры микросхем фотонных интегральных схем (PIC), соответствующие правилам проектирования для производства (DFM), позволяют использовать указанные строительные блоки.

Следующие чертежи иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения и не предназначены для ограничения изобретения, охватываемого формулой изобретения, являющейся частью заявки.

Схематическая диаграмма на фиг. 1 показана секция расщепления одномерного планарного кристалла фазированной оптической решетки, формирующего и управляющего лучом, причем указанная секция расщепления содержит Y-ветвь 1×L 20 , за которой следуют многомодовые интерференционные ответвители 1×M 30 , что приводит к 1× Разделитель N (где L×M=N, т.г., 8×128=1024). Схематическая диаграмма на фиг. 2 показана одномерная планарная микросхема формирования луча и управления оптической фазированной решеткой, указанная микросхема содержит лазер 10 , разделительную секцию, содержащую Y-ветвь 20 и многомодовые интерференционные ответвители 30 , оптические фазовращатели 40 , и внеплоскостные оптические элементы связи , 120, , размещенные в конфигурации одномерного массива пикселей. Линза с градуированным показателем преломления (GRIN) 140 используется для уменьшения размера пятна в направлении, перпендикулярном направлению рулевого управления.В качестве альтернативы для достижения упомянутого уменьшения размера пятна можно использовать стандартную геометрическую преломляющую линзу, дифракционный оптический элемент (DOE), голографический оптический элемент (HOE) или встроенную решетку.

Схематическая диаграмма на фиг. 3 показана одномерная планарная микросхема формирования и управления пучком оптических фазированных решеток, содержащая лазер 10 , разделительную секцию, содержащую Y-ветвь 20 , и многомодовые интерференционные ответвители 30 , оптические фазовращатели в виде два сгруппированных линейных омических нагревательных электрода 40 в двухтактной конфигурации и неплоскостные оптические элементы связи 120 .

Схематическая диаграмма на фиг. 4 показана одномерная планарная микросхема формирования луча и управления оптической фазированной решеткой, указанная микросхема содержит лазер 10 , разделительную секцию, содержащую Y-ветвь 20 , и многомодовые интерференционные ответвители 30 , оптические фазовращатели в виде два сгруппированных набора линейных омических нагревательных электродов 50 в двухтактной конфигурации и неплоскостные оптические элементы связи 120 .

Схематическая диаграмма на фиг.5 показана одномерная планарная микросхема формирования и управления пучком оптических фазированных решеток, содержащая лазер 10 , разделительную секцию, содержащую Y-ветвь 20 , и многомодовые интерференционные ответвители 30 , оптические фазовращатели в виде два сгруппированных линейных омических нагревательных электрода 40 и оптические фазовращатели в виде двух сгруппированных нелинейных омических нагревательных электродов 60 , как линейные, так и нелинейные нагревательные электроды в двухтактной конфигурации, и внеплоскостные оптические ответвители 120 .

Схематическая диаграмма на фиг. 6 показана одномерная планарная микросхема формирования и управления пучком оптических фазированных решеток, содержащая лазер 10 , разделительную секцию, содержащую Y-ветвь 20 , и многомодовые интерференционные ответвители 30 , оптические фазовращатели в виде две пары сгруппированных линейных омических нагревательных электродов, одна пара 40 используется для грубой регулировки фазы и одна пара 70 используется для точной регулировки фазы, обе указанные пары электродов имеют двухтактную конфигурацию, один электрод смещения фазы 80 , и внеплоскостные оптические соединители 120 .

Схематическая диаграмма на фиг. 7 показана одномерная планарная микросхема формирования и управления пучком оптических фазированных решеток, содержащая лазер 10 , разделительную секцию, содержащую Y-ветвь 20 , и многомодовые интерференционные ответвители 30 , оптические фазовращатели в виде две пары сгруппированных линейных омических нагревательных электродов, каждый омический нагреватель состоит из последовательно соединенных линейных нагревателей, одна пара 90 используется для грубой регулировки фазы и одна пара 100 используется для точной регулировки фазы, обе указанные пары электродов тянущая конфигурация, один набор электродов смещения фазы 110 и неплоскостные оптические элементы связи 120 .

Схематическая диаграмма на фиг. 8 аналогичен схематической диаграмме на фиг. 7 с дополнительной вогнутой линзой 130 , используемой для увеличения диапазона рулевого управления.

Схематическая диаграмма на фиг. 9 содержит множество фотонных интегральных схем (PIC), изображенных на фиг. 7, при этом лазер используется совместно двумя PIC. В качестве альтернативы каждый PIC может быть снабжен отдельным лазером.

Устройство и способ на основе лидара используются для твердотельного управления лазерными лучами с использованием фотонных интегральных схем (PIC).Микро- и нанотехнологии комплексного оптического проектирования и изготовления используются для производства оптических разветвителей в масштабе чипа, которые распределяют оптический сигнал от лазера по существу равномерно на массив пикселей, причем указанные пиксели содержат перестраиваемые оптические линии задержки и оптические антенны. Указанные антенны обеспечивают неплоскостную связь света.

По мере настройки линий задержки указанных пикселей, содержащих антенну, в указанной решетке каждая антенна излучает свет определенной фазы для формирования желаемой диаграммы направленности в дальней зоне за счет интерференции этих излучений.Указанная решетка выполняет функцию твердотельной оптической фазированной решетки (OPA).

За счет включения большого количества антенн диаграмма направленности в дальней зоне с высоким разрешением может быть достигнута с помощью OPA, поддерживая формирование луча диаграммы направленности и управление им, необходимые в твердотельном лидаре, а также генерацию произвольных диаграмм направленности по мере необходимости. трехмерная голография, оптическая память, согласование режимов для оптического пространственного мультиплексирования, связь в свободном пространстве и биомедицинские науки.В то время как изображение от массива обычно передается через интенсивность пикселей, OPA позволяет отображать изображение посредством управления оптической фазой пикселей, которые получают когерентные световые волны от одного источника.

Одномерный (1D) планарный чип с фазированной оптической решеткой, формирующий и управляющий лучом, представляет собой простой строительный блок твердотельного лидара, позволяющий производить лидары с высокой производительностью и по низкой цене.

Размер пятна по вертикали (т. е. размер, перпендикулярный направлению поворота) уменьшается, по крайней мере, с одной встроенной решеткой или, по крайней мере, с одной внешней линзой.

Типы указанных внечиповых линз включают, но не ограничиваются:

• • Преломляющая линза
  • Линза с градиентным показателем преломления (GRIN)
  • Дифракционный оптический элемент (DOE)

  Для достижения желаемого горизонтального поля зрения (FOV) или диапазона управления можно использовать одну или несколько схем формирования луча 1D и управления.

  Расщепление луча достигается с помощью любого подмножества светоделительных оптических устройств, включая, но не ограничиваясь: разделение луча включает Y-образные разветвители, за которыми следуют ответвители MMI.

  фазы смещения, контролируемые любым подмножеством фазовых переключающих оптических устройств, в том числе но не ограничиваясь:

  • • Усилители усиления
    • Всепроходные фильтры
    • Bragg Gratings
    • Дисперсионные материалы
    • Taieng Tuning
    • фазовый тюнинг

  Когда используется настройка фазы, приводные механизмы, используемые для настройки указанных линий задержки и указанных оптических разветвителей, когда они настраиваются, могут быть любыми из множества механизмов, включая, помимо прочего:

  • • Thermo -Октяние
    • Электрооптическое действие
    • Электрооптическое действие
    • Электроабарбционное приведение в действие
    • Свободное поглощение носителя
    • Магнитооптическое действие
    • Жидкокристаллическое действие

Каждый пиксель может иметь независимое фазовое управление для максимума гибкость и оптимальный контроль дальнего диаграмма направленности поля или группировка (иногда называемая полосами) может использоваться для обеспечения фазовой настройки множества пикселей с одним управляющим сигналом для упрощения проектирования, изготовления, тестирования, управления и эксплуатации.

Групповое фазовое смещение, управляемое любой подгруппой из:

• • Один или несколько линейных (треугольных) электродов — последовательных или параллельных; одинаковые или электроды грубой и точной настройки
  • Один или несколько нелинейных (сублинейных или суперлинейных) электродов – последовательных или параллельных; идентичные электроды или электроды грубой и точной регулировки

Один или несколько электродов фазового смещения многоугольной формы (например, прямоугольной) — последовательно или параллельно; одинаковые или электроды грубой и точной настройки — аддитивные или субтрактивные; конфигурации push-push или push-pull.

Оптические антенны могут представлять собой любую из множества наноструктур, которые могут выводить свет из плоскости PIC, включая, помимо прочего: Интерфейсы полного внутреннего отражения (TIR) ​​

Чип, содержащий OPA PIC, предпочтительно совместим с комплементарным процессом металл-оксид-полупроводник (CMOS).

Механически перепрограммируемая метаповерхность Панчаратнама-Берри для микроволн

1.

Введение

Как одна из наиболее быстро расширяющихся границ современной фотоники, метаповерхности обещают широкий спектр приложений благодаря своим компактным физическим размерам и нетрадиционным оптическим функциям. ^{1 – 6} Эти плоские и миниатюрные устройства обычно состоят из массива оптически тонких метаатомов (плазмонные или диэлектрические структуры) с пространственно изменяющимися геометрическими параметрами и субволновыми расстояниями, предназначенными для запечатления на входящем оптическом волновом фронте функциональности ^{7 – 12} по выбору посредством адаптированных локальных взаимодействий фазы, ^{13 – 15} амплитуды, ^{16 –} 189019 поляризации. ^{19 – 21} Дальнейшее развитие этой области влечет за собой не только усилия по оптимизации характеристик статических метаповерхностей для определенных функций ^{22 – 24} , но и, что наиболее важно, методы для настраиваемых/перепрограммируемых метаповерхностей. гибкое управление по запросу и в режиме реального времени. ^{25 – 27} В терагерцовом и оптическом режимах динамические метаповерхности в основном были получены за счет использования реакции настраиваемых материалов на внешние воздействия, такие как оптическая накачка, ^{28 – 201, 90 32 – 34} и напряжение смещения. ^{35 – 38} Тем не менее, ограниченные современными технологиями изготовления и модуляции, эти метаповерхности ограничены одновременной настройкой большой части метаатомов и, таким образом, могут переключаться только между ограниченным числом операции.

В микроволновом режиме PIN-диоды и варакторные диоды недавно использовались для разработки перепрограммируемых метаповерхностей с индивидуально реконфигурируемыми метаатомами, ^{39 – 54} благодаря своим миниатюрным размерам, совместимым с пассивными металлическими резонаторами.Из разумных дизайнов, несколько динамических функций, включая голографическую визуализацию, ³⁹ Special Beam рулевое управление, ^{41 , 43 , 48 , , 53 , 53 и топологический контроль поверхности 50 . Кроме того, цифровые функции и функции реального времени продвигают несколько системных приложений, которые вряд ли могут быть достигнуты с помощью статических метаповерхностей, таких как пространственно-временное кодирование, интеллектуальное автономное само- адаптивные системы, 40 , 45 , 46 и динамическая оптимизация беспроводных каналов связи. 47 , 49 , 51 Несмотря на этот прогресс, степени свободы метаатомов на основе PIN-диодов были ограничены двумя или четырьмя фазовыми уровнями на метаатом, т.е. ограничивается локально контролируемой резкой фазой с шагом π или π/2 в лучшем случае. Это ограничение приводит к грубо прерывистому фазовому распределению, что неизбежно приводит к дифракционным потерям. Между тем, это также ограничивает количество информации, которое может быть обработано метаповерхностью данного размера. 55 Программируемые метаповерхности с варакторными диодами могут включать фазовые уровни более четырех; Однако их работа основывалась на динамической фазе вокруг резонансного провала, 38 , что приводило к значительным изменениям амплитуды при настройке фазовой характеристики. Чтобы устранить такое искажение, вызванное амплитудно-фазовой корреляцией, при управлении конкретным волновым фронтом, следует уделить должное внимание алгоритмам оптимизации обратного проектирования. 56 , 57 Кроме того, каждый метаатом в электрически или оптически перепрограммируемых метаповерхностях требует по крайней мере одного PIN-диода, фотодиода или варакторного диода, 39 – – 54 которых} 54 сотни милливатт, и для поддержания функциональности им требуется постоянное электропитание. Такое потребление энергии влечет за собой компромисс между размером/количеством метаатомов и общим размером метаповерхности, что препятствует крупномасштабным приложениям.

Примечательно, что недостатки рассмотренных выше микроволновых метаповерхностей, в том числе метаатомная способность и энергопотребление, в основном связаны с ограничениями принятых элементов, управляемых напряжением. Улучшение электрических показателей PIN-диодов и варакторных диодов, несомненно, может оптимизировать характеристики метаповерхности, но это еще более сложная задача в электронной технике, особенно для более высоких частот. ⁵⁸ Таким образом, исследователи также провели исследования других физических механизмов для создания реконфигурируемых метаповерхностей.Например, было продемонстрировано, что набор полостей может быть заполнен жидкой ртутью контролируемым образом с использованием микрожидкостной технологии, в которой общий электромагнитный отклик может быть адаптирован для различных функций. ⁵⁹ Кроме того, сообщалось о подходах оригами ⁶⁰ и механическом подъеме ⁶¹ для создания реконфигурируемых метаповерхностей, где каждый из метаатомов пространственно складывается/разворачивается или поднимается/опускается для адаптации общей функциональности метаповерхности.Такие подходы, ^{59 – 61} , свободные от управляемых напряжением элементов внутри метаатомов, обладают преимуществом энергонезависимости, заключающимся в том, что поддержание заданной функциональности не требует потребления электроэнергии. Эти работы сыграли важную роль в изучении реконфигурируемых метаповерхностей; однако возможности управления волновым фронтом остаются недостаточными.

В этой статье мы предлагаем и демонстрируем перепрограммируемую метаповерхностную платформу, основанную на механическом управлении для квазинепрерывной фазовой перестройки Панчаратнама-Берри (ПБ), работающей на микроволновых частотах.Фаза PB, ^{7 , 8 , 62 , 63} , также известная как геометрическая фаза, представляет собой надежный метод управления падающими циркулярно поляризованными волнами, который определяется -атомов, и поэтому он не связан с контролем амплитуды. На рис. 1(а) схематически показана наша перепрограммируемая метаповерхностная платформа PB, которая состоит из 20 × 20 суперячеек, занимающих площадь 870  мм × 870  мм. Каждая суперячейка, как показано на рис.1(b), состоит из шагового двигателя, набора передаточных механизмов и массива метаатомов ПБ 4×4. Перепрограммируемая функция активируется механическим вращением каждого метаатома ПБ для достижения желаемого фазового контроля, что обеспечивает непрерывный и произвольный шаблон фазового контроля по всей поверхности с высокой эффективностью и равномерной амплитудой. В принципе, эта метаповерхностная платформа может быть использована для создания большого количества функций по запросу в режиме реального времени. В качестве экспериментов для проверки концепции мы демонстрируем металинзирование, генерацию сфокусированных вихрей и голографическое изображение с использованием одной и той же метаповерхности, демонстрируя превосходную производительность и возможность настройки в реальном времени.

Рис. 1

Схема метаповерхности и ее суперячейки. (а) Метаповерхность образована массивом суперячеек, расположенных в виде квадратной решетки с периодом 43,5 мм. Фазовая характеристика PB каждой суперячейки управляется адресным беспроводным сигналом и может независимо настраиваться на 28 фазовых уровнях. Метаповерхность может быть перепрограммирована для реализации пользовательских функций, включая металинзирование, генерацию сфокусированного вихревого луча и голографическую визуализацию, путем надлежащего проектирования фазового распределения PB.(b) Фазовый контроль ПБ в каждой суперячейке достигается за счет передачи крутящего момента от шагового двигателя к метаатомам ПБ через набор шестерен.

2.

Материалы и методы

2.1.

Дизайн перепрограммируемой метаповерхности

Чтобы наделить метаповерхность хорошо контролируемой программируемостью, используются 400 коммерческих шаговых двигателей для управления суперячейками 20×20 соответственно. Каждый шаговый двигатель снабжен адресной схемой питания (напряжение на клеммах 5 В) и управления вращением.Угол шага составляет 5,625 градуса, что соответствует 64 шагам на оборот. Более подробную информацию о шаговом двигателе можно найти в дополнительном материале 1. Номер шага вращения (по часовой стрелке или против часовой стрелки) каждого двигателя управляется беспроводными сигналами от главного компьютера с полной адресацией. Как показано на рис. 1(b), для передачи крутящего момента от двигателя к метаатомам ПБ используется трехслойный набор шестерен: первый слой состоит из главной шестерни, прикрепленной к выходному валу шагового двигателя; средний слой состоит из четырех шестерен, соединяющих первый и последний слои; а нижний слой состоит из 16 шестерен, соединяющихся с метаатомами ПБ один за другим.Модули всех шестерен 0,5. Желто-зеленая шестерня имеет 30 зубьев, светло-голубая шестерня имеет 30 и 16 зубьев в нижнем и верхнем слоях соответственно, а розовая шестерня имеет 14 зубьев. В этом состоянии, когда шаговый двигатель делает один оборот, он заставляет метаатомы ПБ вращаться на 8/7 оборотов. Соответственно, вращение каждого метаатома состоит из 56 шагов за один оборот. Для справки предоставляется дополнительное видео S1 (MP4, 30 МБ [URL: https://doi.org/10.1117/1.AP.4.1.016002.1]), демонстрирующее управляемые повороты.Фотографии шаблона метаповерхности и более подробную информацию о каждом компоненте можно найти в дополнительном материале 2.

В отличие от традиционных статических метаповерхностей, метаатомы предлагаемой перепрограммируемой метаповерхности расположены дискретно, чтобы избежать возможных препятствий во время их вращения. С учетом общих характеристик в качестве метаатома для управления фазой ПБ при отражении на рабочей частоте 7 выбрана структура металл-изолятор-металл круглой формы, схематически показанная на рис. ГГц (подробности моделирования см. в Дополнительных материалах 3).Метаатом ПБ состоит из двух архимедовых спиралей с одинаковыми геометрическими параметрами, которые С2-вращательно-симметричны друг другу относительно оси нормали. И спирали, и нижняя металлическая пленка изготовлены из меди толщиной 35 мкм. Они изготавливаются по стандартной технологии печатных плат на подложке из FR4 толщиной 3 мм с относительной диэлектрической проницаемостью 4,2 и тангенсом угла потерь 0,025. Радиус метаатома составляет R=4,8  мм, а центральное расстояние между соседними метаатомами вдоль направлений x и y составляет около 10.7 мм, оставляя минимальное расстояние около 1,1 мм для обеспечения плавного вращения каждого метаатома. Две важные особенности характеризуют выбранный метаатом ПБ при его взаимодействии с падающим светом: он обеспечивает сильную анизотропию для достижения эффективного преобразования поляризации и может сильно ограничивать резонансные поля внутри метаатома, чтобы минимизировать связь ближнего поля между соседними метаатомами. -атомы (подробнее см. Дополнительный материал 3). Тщательно оптимизируя размеры метаатома, такие метаатомы могут эффективно преобразовывать падающие правую и левую круговые поляризации (RCP и LCP) в отраженные RCP и LCP соответственно.В принципе, когда этот метаатом повернут на угол θ, ожидается, что фазы отраженных Rrr и Rll (индексы r и l обозначают RCP и LCP) будут следовать фазовому градиенту 2θ и −2θ соответственно, где знак зависит от направления спина падающей поляризации. Такое зависящее от геометрии фазовое поведение также известно как фазовая характеристика ПБ. ^{7 , 8 , 62 , 63}

Рис. 2

PB фазовая характеристика 9000.(а) Верхняя часть метаатома ПБ представляет собой пару архимедовых спиралей с одинаковыми геометрическими параметрами: внутренний радиус (1,9 мм), внешний радиус (4,3 мм), высота (0,035 мм), ширина (0,4 мм), и количество витков (два витка). Розовые и небесно-голубые циферблаты схематически изображают разрешающую способность управления фазой ПБ и градиенты вариации для Rrr и Rll соответственно. (b), (c) Измеренные амплитуды Rrr и Rll соответственно. (d), (e) Измеренная фазовая характеристика PB Rrr и Rll, соответственно, в зависимости от разных углов поворота.

2.2.

Экспериментальная проверка фазовой управляемости ПБ

Поскольку метаатом ПБ можно вращать на 56 шагов за оборот, наша метаповерхность обеспечивает квазинепрерывное управление фазой ПБ на 28 уровнях. Как схематически показано розовым и небесно-голубым циферблатами на рис. 2(а), коэффициенты отражения Rrr и Rll имеют разрешение управления фазой π/14 и противоположные фазовые градиенты. Чтобы экспериментально охарактеризовать метаповерхность, устанавливается экспериментальная установка с векторным анализатором цепей (VNA, Agilent N5230C) и двумя широкополосными рупорными антеннами (см. Приложение).На рисунках 2(b) и 2(c) показана нормализованная амплитуда измеренных Rrr и Rll соответственно, где пик амплитуды около целевой рабочей частоты 7 ГГц может быть получен в обоих спектрах. |Ррр| имеет максимальную амплитуду 0,91 на частоте 6,925 ГГц и |Rll| имеет максимальную амплитуду 0,7 на частоте 6,55 ГГц. Примечательно, что когда свет падает на хиральный метаатом, которому не хватает зеркальной симметрии, фотоны разных CP будут поглощаться по-разному, эффект, известный как круговой дихроизм или круговой конверсионный дихроизм. ²⁴ Выбранный метаатом ПБ показывает хиральный отклик, поэтому мы ожидаем разницу между Rrr и Rll, как показано на рис. 2. Для различных приложений можно сконструировать метаатом ПБ с зеркально-плоскостным симметрии для устранения кругового конверсионного дихроизма ⁷ или разработки хиральных метаатомов ПБ с более сильным нарушением симметрии для усиления кругового конверсионного дихроизма. ⁶⁴ Красные и синие кружки на рис. 2(d) и 2(e) иллюстрируют измеренную фазовую характеристику Rrr и Rll, соответственно, на частоте 7 ГГц, когда мы одновременно поворачиваем все метаатомы от 0 до π.Ясно, что изменение фаз Rrr и Rll имеет положительный и отрицательный градиент в зависимости от угла поворота соответственно. Сплошные линии на рис. 2(d) и 2(e) показывают результаты линейной аппроксимации, где градиент аппроксимации Rrr и Rll составляет 1,9624 и -2,0665 соответственно, что хорошо согласуется с теоретическим значением. Кроме того, на рис. S4 в дополнительном материале показаны измеренные фазовые характеристики на частотах 6, 6,7 и 7,4 ГГц, которые также хорошо соответствуют фазовой характеристике PB. Эти результаты экспериментально подтверждают управляемость фазы PB предлагаемой метаповерхностной платформы в широкой полосе частот.

2.3.

Проект распределения вращения для перепрограммируемой оптической функциональности

Поскольку каждой суперячейкой можно управлять индивидуально, метаповерхность обеспечивает множество оптических функций за счет проектирования распределения вращения по поверхности. Мы определяем метаповерхность как плоскость xy, а ее центр — начало нашей системы координат. Чтобы экспериментально охарактеризовать характеристики, широкополосная антенна устанавливается коаксиально на (0, 0, 2100 мм) в качестве источника питания, а волноводный зонд используется для сканирования распределения электрического поля (см. Приложение).Поскольку волна, излучаемая антенной, не является плоской волной, когда она достигает метаповерхности, мы должны компенсировать ее фазу, чтобы сделать ее коллимированной (подробнее см. Дополнительный материал 5). Примечательно, что благодаря квазинепрерывной фазовой управляемости наша метаповерхность может гибко работать при различных падающих волновых фронтах, поскольку искажение функциональности, создаваемое неплоским падающим волновым фронтом, может быть легко компенсировано. Такая гибкость весьма важна в практических приложениях, особенно в сценариях, в которых питающая антенна вряд ли может быть размещена в фраунгоферовой области метаповерхности. ^{39 , 42} После получения желаемого фазового распределения для определенной целевой функции можно рассчитать соответствующее распределение вращения. Далее мы выбираем RCP в качестве целевой рабочей поляризации, чтобы продемонстрировать несколько репрезентативных функций, включая металинзирование, генерацию сфокусированного вихревого луча и голографическую визуализацию.

3.

Результаты

3.1.

Металинза

Сначала мы исследуем функциональность металинзы, используя предложенную метаповерхность.На рисунке 3 (а) показан требуемый профиль вращения для метаповерхности, фокусирующей падающую волну на (0, 0, 600 мм). Измеренная напряженность электрического поля (|Rrr|2) в плоскости xy при z=600  мм показана на рис. 3(b), где можно получить высокосимметричное фокальное пятно. Горизонтальный срез фокального пятна показан на рис. 3(c), где его полная ширина на полувысоте (FWHM) составляет ∼42   мм. Примечательно, что числовая апертура продемонстрированной металинзы составляет около 0,587, что соответствует дифракционно-ограниченной полуширине около 36.5  мм на частоте 7 ГГц. Мы отмечаем, что генерируемое фокусное пятно довольно близко к дифракционному пределу, что указывает на отличные характеристики нашего квазинепрерывного управления фазой. Программируемость нашей метаповерхности позволяет сканировать фокус вне оси. На рисунках 3(d) и 3(g) показаны желаемые профили вращения для фокусировки при (-80, 0, 600 мм) и (120, 0, 600 мм) соответственно. Измеренные напряженности электрического поля и горизонтальные срезы фокальных пятен показаны на рис. 3(e), 3(h) и 3(f), 3(i), соответственно, очень хорошо работают с точки зрения их возможностей фокусировки и сканирования.Кроме того, можно использовать линзы с плавно изменяющимся фокусным расстоянием. Например, на рис. S6 в дополнительных материалах показана экспериментально измеренная фокусировка при (0, 0, 450 мм), (0, 0, 600 мм) и (0, 0, 750 мм) соответственно. Эти высококачественные и компактные фокальные пятна экспериментально подтверждают точность фазовой реализации предложенной нами метаповерхности.

Рис. 3

Реализация металинзирования. (a), (d), (g) Требуемые профили вращения для реализации различных операций металинзы для волн RCP.(b), (e), (h) Измеренная напряженность электрического поля (|Rrr|2) на частоте 7 ГГц в фокальной плоскости. (c), (f), (i) Горизонтальные срезы фокальных пятен металинзы с FWHM = 42, 44 и 44 мм соответственно.

3.2.

Генерация сфокусированных вихрей

Электромагнитные поля с фазовым профилем eilφ несут орбитальный угловой момент (ОУМ), где φ — азимутальная координата в поперечной плоскости, а l — топологический заряд. Чтобы подтвердить общность предложенной метаповерхности, мы показываем перепрограммируемые генерации сфокусированных вихрей на рис.4. Эти вихри предназначены для коаксиальной фокусировки на (0, 0, 600 мм), поэтому их целевое распределение углов вращения соответствует рисунку 3(а) плюс 1/2 азимутального угла. На рисунках 4(a), 4(e), 4(i) и 4(m) показано необходимое распределение вращения по поверхности для создания сфокусированных вихревых пучков с топологическими зарядами l=1,  2,  3,  4 соответственно. На рисунках 4(b), 4(f), 4(j) и 4(n) показаны измеренные распределения электрической напряженности (|Rrr|2) вихревых пучков соответственно в фокальной плоскости z=600  мм.Как и ожидалось, эти распределения интенсивности имеют форму пончика, а центральная темная область вихрей больше из-за увеличения топологического заряда. На рисунках 4(c), 4(g), 4(k) и 4(o) показаны соответствующие измеренные фазовые распределения, где зависимость от азимутального угла ясно показывает вихревой характер сфокусированных лучей. Для количественного анализа качества вихревых пучков мы выделили и проинтегрировали комплексные амплитуды, чтобы получить амплитуду |Sn| каждого OAM (подробности см. в Дополнительных материалах 7).На рисунках 4(d), 4(h), 4(l) и 4(p) показаны соответствующие нормированные значения |Sn| как функция l от −6 до 6 соответственно. Ясно, что целевой компонент ОАМ каждого измерения является самым сильным, тогда как другие компоненты ОАМ довольно слабые, что указывает на высокую чистоту генерируемых вихревых пучков. Существование нежелательных лучей OAM можно объяснить квадратной формой метаповерхности и экспериментальными ошибками (подробности см. В Дополнительных материалах 8). Эти результаты экспериментально иллюстрируют большую перепрограммируемость и в то же время высокую эффективность нашей метаповерхности в адаптации падающих полей по желанию.

Рис. 4

Генерация сфокусированного вихревого пучка. (a), (e), (i), (m) Профили вращения, необходимые для создания сфокусированных вихревых пучков с топологическими зарядами l=1,  2,  3,  4 соответственно. (b), (f), (j), (n) измеренные распределения электрической напряженности (|Rrr|2) и (c), (g), (k), (o) измеренные фазовые (∠Rrr) распределения различных вихревые пучки, соответственно, полученные в фокальной плоскости. (г), (з), (м), (р) амплитуда ОУМ |Sn| извлекаются из измеренных комплексных амплитуд различных вихревых пучков соответственно.

3.3.

Голографическое изображение

Метаповерхностная голография стала хорошо зарекомендовавшим себя подходом к решению обратных инженерных задач для электромагнитных волн. Чтобы дополнительно изучить возможности управления волновым фронтом нашей программируемой метаповерхности, мы применяем ее для создания компьютерных голографических изображений на рис. 5. В нашей демонстрации китайские иероглифы «天津大学» (Тяньцзиньский университет) и «大�?�云冈” (Datong Yungang) были сгенерированы в плоскости изображения на z=600  мм.Требуемый профиль ротации для каждого слова, как показано на рис. 5(a)–5(d) и 5(i)–5(l), рассчитывали по модифицированному алгоритму Герхберга–Сакстона, ^{64 , 65} , в котором традиционно используемая формула дифракции Френеля заменена на формула дифракции Рэлея – Зоммерфельда (подробности см. В Дополнительных материалах 9). Чтобы подтвердить функциональность, мы рассчитали голографическое изображение, рассматривая метаатомы как точечные источники с идеально обозначенными фазовыми профилями голограммы.Результаты расчетов показаны на рис. S9 в дополнительных материалах, которые хорошо соответствуют целевым символам. Чтобы экспериментально продемонстрировать эти голографические изображения, мы повернули метаатомы в соответствии с требуемым профилем вращения и измерили соответствующее распределение электрической напряженности (|Rrr|2). Хотя голограммы имеют только 20×20 пиксельных фазовых точек, сгенерированные голографические изображения, как показано на рис. 5(e)–5(h) и 5(m)–5(p), имеют очень высокое качество и хорошо согласуются с расчетами, что указывает на отличные возможности управления волновым фронтом предлагаемой перепрограммируемой метаповерхностной платформы.

Рис. 5

Голографическое изображение. (a)–(d), (i)–(l) Профили вращения, необходимые для создания голографических изображений китайских иероглифов «天津大学» (Тяньцзиньский университет) и «大�?�云冈» (Датун Юнган) соответственно. (e)–(h), (m)–(p) Соответствующие измеренные значения напряженности электрического поля (|Rrr|2) голографических изображений, полученных при z=600  мм.

3.4.

Управление чувствительностью к поляризации

Чувствительность к поляризации — важная особенность метаповерхностей. Поскольку предлагаемая метаповерхность основана на концепции фазы PB, как только все метаатомы расположены для достижения желаемого фазового профиля Φ для конкретной функциональности при падении LCP (RCP), соответствующий фазовый профиль при падении RCP (LCP) превращается в Φ ′=−Φ.В большинстве случаев фазовый профиль Φ′ не может поддерживать ту же функциональность, что и Φ. Например, на рис. S10 в дополнительном материале показано, что измерения в случае метаповерхности предназначены для создания голографического изображения слова «PB» при падении LCP, где измеренное значение |Rll|2 успешно формирует голографическое изображение, в то время как измеренный |Rrr|2 очень зашумлен. Точно так же продемонстрированные функциональные возможности, показанные на рис. 3Рис. 4–5 также чувствительны к поляризации и ограничены работой для RCP.Вдохновленные недавней работой, в которой использовалось бинарное геометрическое управление фазой для достижения нечувствительного к поляризации металинзирования в видимом диапазоне, ⁶⁶ , мы обнаружили, что предлагаемая метаповерхность также может поддерживать ту же функциональность для мультиполяризации. Например, на рис. S11 в дополнительном материале показан профиль вращения метаатомов для достижения металинзирования при (0, 0, 600 мм), где углы ориентации расположены бинарно с -π/4 и π/4. В этом состоянии отраженные профили интенсивности |Rrr|2, |Rll|2, |Rxy|2 и |Ryx|2 могут фокусироваться в одном и том же месте, как показано на рис.S11f-I в дополнительных материалах.

Кроме того, зависимость управления фазой PB от поляризации и длины волны может быть дополнительно использована для достижения функций мультиплексирования поляризации и частоты. ⁶⁷ Для достижения функциональности при RCP для длины волны λ1 желаемое фазовое распределение можно рассчитать как ΦR,1. Аналогично, для достижения других функциональных возможностей в LCP для длины волны λ2 желаемое фазовое распределение может быть рассчитано как ΦL,2. Чтобы объединить эти фазовые распределения в один набор метаатомов, можно расположить профиль вращения как θ=arg[exp(iΦR,1)+exp(-iΦL,2)]/2.В этом случае при падении RCP метаповерхность будет давать фазовые профили ΦR,1 и −ΦL,2, и аналогично при падении LCP метаповерхность будет давать фазовые профили −ΦR,1 и ΦL,2. Если целевые функциональные возможности представляют собой металинзирование, соответствующие им отрицательные фазовые распределения (-ΦL,2 и -ΦR,1) соответствуют расхождениям и, таким образом, оказывают незначительное влияние на точки фокусировки, достигаемые за счет положительных фазовых распределений (ΦR,1 и ΦL,2). Например, на рис. S12 в дополнительных материалах экспериментально показано, что предлагаемая метаповерхность может фокусировать |Rrr|2 из 6.3 ГГц и |Rll|2 из 7 ГГц в разных положениях. При мультиплексировании дополнительных сложных функций перекрестные помехи от нежелательных частей становятся серьезными. Если важен только профиль интенсивности целевой функции (такой как металинзирование и голография), можно тщательно оптимизировать фазовые профили ΦR,1 и ΦL,2, чтобы уменьшить перекрестные помехи. ⁶⁷ Тем не менее, чтобы разъединить мультиплексированные функции для каналов RCP и LCP, необходимо уделить должное внимание свободе проектирования, не зависящей от спина, такой как фаза распространения (подробности см. в Дополнительных материалах 13).

4.

Обсуждение и заключение

Мы продемонстрировали перепрограммируемую механическую метаповерхностную платформу PB и продемонстрировали ее превосходное динамическое и эффективное управление падающим волновым фронтом путем перенастройки ее работы в режиме реального времени для ряда функций. С точки зрения дифракционной оптики характеристики нашей оптической метаповерхности постепенно приближаются к идеальному отклику по мере увеличения уровня управления фазой. Дополнительный материал 14 использует металинзирование в качестве примера и численно сравнивает производительность 2-уровневой, 4-уровневой, квазинепрерывной (28-уровневой) и идеальной схем управления фазой, показывая, что интенсивность фокуса нашей квазинепрерывной схемы почти идентична идеальной. один, около 2.на 61 и 1,25 больше, чем в случае 2- и 4-уровневых схем фазового регулирования соответственно. В текущей конструкции метаатомы в одной и той же суперячейке спроектированы так, чтобы иметь одинаковый угол ориентации, где набор шестерен одинаково передает крутящий момент от шагового двигателя на каждый метаатом. Поскольку механически перепрограммируемые модули и метаатомы могут гибко присоединяться/отсоединяться от метаповерхности, предлагаемая платформа метаповерхности может удобно включать в себя различные наборы зубчатых колес и различные метаатомы, что может обеспечить многомерное манипулирование электромагнитными волнами с программируемостью (см. Дополнительный материал 13). для подробностей).

Частота модуляции также является важным показателем перепрограммируемых метаповерхностей. Среди метаповерхностей на основе элементов, управляемых напряжением, самая высокая частота модуляции, о которой сообщается, может достигать 10 МГц. ⁵⁴ Микрожидкостная ⁵⁹ и механическая ⁶¹ настройка обычно медленная. При нашей метаповерхности скорость вращения метаатома ПБ определяется скоростью вращения шагового двигателя, передаточным числом зубчатой ​​передачи и коэффициентом геометрической фазовой зависимости.В текущей конструкции скорость вращения шаговых двигателей задается как ∼2  с на оборот, передаточное отношение набора шестерен составляет 8/7, а коэффициент фазовой зависимости ПП составляет ±2, что соответствует частоте модуляции около 8 /7 Гц. Следует подчеркнуть, что путем применения шаговых двигателей с более высокой скоростью, зубчатых передач с большим передаточным отношением и метаатомов с высокой кратной вращательной симметрией ⁶³ частота фазовой модуляции ПБ может быть значительно улучшена. Такая скорость, хотя и ниже, чем та, которая может быть достигнута при использовании управляемых напряжением диодов, может удовлетворить требования некоторых важных приложений, таких как динамическая оптимизация каналов беспроводной связи, 51 интеллектуальный имидж-сканер/распознаватель, ^{40 , 45} и самоадаптирующийся плащ, ⁴⁶ , поскольку они предназначены для перенастройки функциональности в соответствии с изменениями погоды, температуры и движения пешеходов или транспортных средств-невидимок.С другой стороны, предлагаемая механическая метаповерхность отличается низким рассеиванием мощности (менее 37,5 мВт на уровне метаатома) и энергонезависимостью, поэтому она является энергосберегающей и экологически чистой для крупномасштабных и долгосрочных приложений.

Для приложений, которые непосредственно запускают определенные микроволновые лучи, скажем, военная радиолокационная система, которая быстро направляет луч по небу для обнаружения самолетов, больше подходят хорошо зарекомендовавшие себя фазированные решетки. Напротив, перепрограммируемые метаповерхности, будь то метаповерхности на основе диодов или предлагаемая механическая метаповерхность, нацелены на взаимодействие с падающими лучами, а затем адаптируют исходящие лучи, играя роль части каналов связи или окружения.Поэтому с функциональной точки зрения перепрограммируемые метаповерхности больше подходят для приложений, предназначенных для управления волновым фронтом внешнего источника излучения, таких как динамическая оптимизация каналов беспроводной связи или самоадаптирующийся плащ. ⁴⁶ С нашей метаповерхностью низкое рассеивание мощности и энергонезависимость также являются ключевыми для плаща: низкое рассеивание мощности приводит к низкому выделению тепла, что снижает риск обнаружения инфракрасной технологией; энергонезависимость позволяет стелс-автомобилям длительное время находиться в скрытом состоянии и находиться в режиме ожидания с относительно низким энергопотреблением.Также следует подчеркнуть, что каждый вид технологии имеет разные характеристики в различных измерениях. Такое разнообразие гарантирует, что каждая технология найдет свое место в будущих приложениях, а с другой стороны, будет стимулировать непрерывные усилия по оптимизации каждой конкретной технологии для наиболее подходящего сценария.

Таким образом, мы продемонстрировали универсальный подход к реализации механически перепрограммируемой метаповерхности PB с превосходными характеристиками. В принципе, эту метаповерхность можно реконфигурировать, чтобы получить различные функциональные возможности по выбору.Эта экономичная метаповерхность может динамически переключать высокопроизводительные функции, что представляет большой интерес для различных микроволновых приложений. Точный и обратимый контроль микро/наноэлементов в пространстве и времени уже давно преследуется в контексте микро/нанотехнологий. ^{68 – 71} Мы полагаем, что наша работа может еще больше активизировать усилия в междисциплинарных областях между микро/нанотехнологиями, чтобы вывести эти концепции на более высокие частоты, обеспечивая точное управление вращением микро/наноразмерных метаатомов ПБ с полной адресацией и возможность программирования для сжатия оптических перепрограммируемых метаповерхностей в один чип.

5.

Приложение: Измерения

В экспериментах ВНА использовался для получения данных отклика путем измерения коэффициентов передачи (S21). Во время измерений облучающая рупорная антенна и приемная антенна/зонд подключаются к выходному и входному портам соответственно ВАЦ через два коаксиальных кабеля длиной 3 м с сопротивлением 50  Ом. Источником возбуждения является линейно поляризованная волна, излучаемая питающей антенной с рабочей полосой пропускания от 2 до 18 ГГц. Результаты эксперимента, показанные на рис.2, получаются путем использования широкополосной антенны (такой же, как питающая антенна) в качестве приемника. Поворачивая соответственно облучающую и приемную антенны, можно получить коэффициенты отражения для различных волн с линейной поляризацией, т. е. Rxx, Rxy, Ryx и Ryy, затем можно рассчитать коэффициенты отражения для волн с круговой поляризацией, используя преобразование

Eq . (1)

Экспериментальные результаты, представленные на рис.3Рис. 4–5 получаются при использовании волноводного зонда в качестве приемника. Приводимый в движение трансляционной платформой с электрическим управлением, волноводный зондовый растр сканирует линейно поляризованные волны на большой площади, а распределение поля (|Rrr|2) также рассчитывается по уравнению. (1). Для справки, на рис. S17 в дополнительном материале показаны фотографии и схемы экспериментальных установок.

Благодарности

Эта работа была частично поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (гранты No.62005193, 61805129, 62075158 и 11874245), Ключевая программа исследований и разработок провинции Шаньси (грант № 201903D121026) и Муниципальный фонд Тяньцзиня для выдающихся молодых ученых (грант № 18JCJQJC45600). Эта работа также была частично поддержана Управлением научных исследований ВВС и Фондом Саймонса. Мы благодарим г-на Jiajun He, г-на Louhong Wen, г-на Yuzhu Liu и г-на Yucong Huang из Shanxi Datong University за их помощь в сборке экспериментальной установки. Мы благодарим доктора Су Сюй из Цзилиньского университета за ценное обсуждение.Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Доступность данных

Данные, подтверждающие графики этого исследования, можно получить у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Ссылки

19. 

Биография

Цюань Сюй получил степень бакалавра технических наук в области инженерии связи и степень магистра технических наук в области оптической инженерии в Харбинском инженерном университете, Китай, в 2011 и 2014 годах соответственно, а также докторскую степень в области оптической инженерии в Тяньцзиньском университете, Китай, в 2019 году. В настоящее время он является доцентом в Центре терагерцовых волн Тяньцзиньского университета, Тяньцзинь, Китай. Его исследовательские интересы сосредоточены на устройствах на основе метаматериалов/метаповерхностей, поверхностных плазмонах и терагерцовой фотонике.

Сяоцян Су получил степень бакалавра технических наук в области физики в колледже Юньчэн, Китай, в 2009 г., степень магистра технических наук в области оптики в Чжэцзянском педагогическом университете, Китай, в 2012 г. и докторскую степень в области оптической инженерии в Тяньцзиньском университете, Китай, в 2016 г. В настоящее время он является адъюнкт-профессором Института физики твердого тела Шаньсиского университета Датун, Датун, Китай. Его исследовательские интересы сосредоточены на реконфигурируемых интеллектуальных поверхностях и имитации поверхностных плазмонов.

Сюэцянь Чжан — адъюнкт-профессор Тяньцзиньского университета, Китай.Он получил степень бакалавра технических наук в области электронных наук и технологий и докторскую степень в области оптической инженерии в Тяньцзиньском университете, Китай, в 2010 и 2016 годах соответственно. С 2013 по 2014 год он был приглашенным научным сотрудником в Бирмингемском университете, Великобритания, и в Университете науки и технологий имени короля Абдуллы, Саудовская Аравия. Его основные научные интересы — терагерцовые метаповерхности, поверхностные плазмонные волны и нелинейная плазмоника.

Лицзюань Дун получила степень бакалавра по физике в Педагогическом колледже Яньбэй, Китай, в 2000 г., степень магистра по физике в Хэбэйском технологическом университете, Китай, в 2003 г., и докторскую степень по физике в Университете Тунцзи, Китай, в 2003 г. 2009.Она является профессором Института физики твердого тела Шаньсиского университета Датун, Датун, Китай. Ее исследовательские интересы сосредоточены на функциональных электромагнитных устройствах и технологии беспроводной передачи энергии.

Лифэн Лю получил степень бакалавра технических наук по физике в Университете Шаньси Датун, Китай, в 2006 г., степень магистра инженерных наук по физике конденсированных сред в Университете Чунцин, Китай, в 2009 г., и докторскую степень в области оптической инженерии в Университете Чунцин, Китай, в 2012 г. В настоящее время он является адъюнкт-профессором Института физики твердого тела Шаньсиского университета Датун, Датун, Китай.Его исследовательские интересы сосредоточены на активных устройствах из метаматериалов и имитации поверхностных плазмонных поляритонов.

Юньлун Ши в настоящее время является профессором Университета Шаньси Датун. Он получил докторскую степень по физике конденсированных сред в Университете Тунцзи, Китай, в 1999 году. Он был приглашенным научным сотрудником в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета с 2003 по 2004 год. Его исследовательские интересы включают фотонные кристаллы, системы с сильной корреляцией и метаматериалы.

Цю Ван получил степень бакалавра технических наук в области оптоэлектронных наук и технологий и докторскую степень в области оптической инженерии в Тяньцзиньском университете, Китай, в 2014 и 2020 годах соответственно.В настоящее время он является адъюнкт-профессором Школы информационных технологий Уханьского технологического университета, Ухань, Китай. Его текущие исследования в основном включают применение метаповерхностей и алгоритмов оптических расчетов.

Цзягуан Хань получил степень бакалавра по физике материалов в Пекинском педагогическом университете, Китай, в 2000 г. и докторскую степень по прикладной физике в Шанхайском институте прикладной физики Китайской академии наук, Китай, в 2006 г. С 2006 по 2007 гг. , он был научным сотрудником в Университете штата Оклахома, США.В 2007 году он поступил на работу в Национальный университет Сингапура в Сингапуре в качестве научного сотрудника Ли Куан Ю. Он профессор, и его исследования сосредоточены на поверхностных плазмонных поляритонах, метаматериалах и исследованиях материалов в терагерцовом режиме.

Вейли Чжан — профессор Университета штата Оклахома. Он получил докторскую степень в области оптической инженерии в Тяньцзиньском университете, Китай, в 1993 году. С 1993 по 1995 год он был научным сотрудником с докторской степенью в Гонконгском университете науки и технологий.Его исследовательские интересы включают терагерцовую оптоэлектронику, оптику нано- и микроструктурированных материалов и сверхбыстрые явления. Он сотрудник OSA.

Биографии авторов отсутствуют.

Сегментация движения человека, вызванная согласованностью и разнообразием

F8Net: 8-битное умножение только с фиксированной точкой для квантования сети Сергей Туляков.Квантование нейронной сети — это многообещающий метод сжатия, позволяющий сократить объем памяти и снизить энергопотребление, что может привести к выводам в реальном времени. Однако существует разрыв в производительности между квантованными моделями и моделями полной точности. Чтобы уменьшить его, существующие подходы к квантованию требуют высокоточного INT32 или умножения с полной точностью во время вывода для масштабирования или деквантования. Это приводит к заметным затратам с точки зрения памяти, скорости и требуемой энергии. Чтобы решить эти проблемы, мы представляем F8Net, новую структуру квантования, состоящую только из 8-битного умножения с фиксированной точкой.Чтобы вывести наш метод, мы сначала обсудим преимущества умножения с фиксированной точкой на различные форматы чисел с фиксированной точкой и изучим статистическое поведение соответствующих чисел с фиксированной точкой. Во-вторых, на основе статистического и алгоритмического анализа мы применяем разные форматы фиксированной точки для весов и активаций разных слоев.