Безбатарейная технология питает устройства внешними радиочастотными сигналами

Распространенные беспроводные технологии, такие как Wi-Fi, Bluetooth и 5G, используют радиочастотные (РЧ) сигналы для отправки и получения данных. Новый прототип модуля сбора энергии, разработанный командой под руководством ученых из Национального университета Сингапура (NUS), теперь может преобразовывать окружающие или «отходные» радиочастотные сигналы в напряжение постоянного тока (DC). Его можно использовать для питания небольших электронных устройств без использования батареек.

Подобные технологии сбора радиочастотной энергии имеют важное значение, поскольку они уменьшают зависимость от батарей, продлевают срок службы устройств, уменьшают воздействие на окружающую среду и расширяют возможности беспроводных сенсорных сетей и устройств Интернета вещей в отдаленных районах, где частая замена батарей нецелесообразна.

Однако технологии сбора радиочастотной энергии сталкиваются с проблемами из-за низкой мощности окружающего радиочастотного сигнала (обычно менее -20 дБм), когда технология выпрямления не работает или демонстрирует низкую эффективность преобразования радиочастотного сигнала в постоянный ток. Хотя повышение эффективности антенны и согласование импедансов могут повысить производительность, это также увеличивает размер чипа, что создает препятствия для интеграции и миниатюризации.

Чтобы решить эти проблемы, группа исследователей из Национального университета Сингапура в сотрудничестве с учеными из Университета Тохоку (TU) в Японии и Университета Мессины (UNIME) в Италии разработала компактную и чувствительную технологию выпрямителя, в которой используется наноразмерная технология. вращающийся выпрямитель (SR) для мощного преобразования внешних радиочастотных сигналов ниже -20 дБм в напряжение постоянного тока.

Команда улучшила устройства SR и разработала две конфигурации: 1) одну прямую антенну на основе SR, работающую в диапазоне от -62 дБи до -20 дБи, и 2) массив из 10 последовательных устройств SR, обеспечивающих эффективность 7,8% и нулевую эффективность. чувствительность смещения около 34 500 мВ/мВт. Интегрировав массив SR в модуль сбора энергии, они успешно эксплуатировали коммерческий датчик температуры с уровнем -27 дБм.

«Сбор электромагнитных сигналов окружающей среды имеет решающее значение для разработки энергоэффективных электронных устройств и датчиков. Однако современные модули сбора энергии сталкиваются с проблемами при работе при низкой мощности окружающей среды из-за ограничений в современной технологии выпрямителей», — объяснил профессор Ян Хён Су из Массачусетского технологического института. . Кафедра электротехники и вычислительной техники в Факультет дизайна и инженерии Национального университета Сингапуракоторый руководил проектом.

«Например, технология диодов Шоттки ГГц оставалась насыщенной на протяжении десятилетий из-за термодинамических ограничений при низкой мощности, а в последнее время усилия были сосредоточены только на повышении эффективности антенн и сетей согласования импеданса за счет увеличения отпечатков пальцев на кристалле», — добавил профессор Янг. Нано-выпрямители представляют собой компактную технологию для чувствительного и эффективного преобразования РЧ в постоянный ток».

Объясняя новаторскую технологию команды, профессор Ян сказал: «Мы оптимизировали велосипедистов для работы на низких уровнях радиочастотной мощности, доступных в окружающей среде, и интегрировали набор этих велосипедистов в модуль сбора энергии для питания коммерческих светодиодов и датчиков на радиочастотном уровне. мощность составляет менее -20 дБм. Наши результаты показывают, что технология гировыпрямителей легко интегрируется и масштабируется, что облегчает разработку крупномасштабных сборок гировыпрямителей для различных маломощных радиочастотных и коммуникационных приложений».

Экспериментальное исследование проводилось в сотрудничестве с профессором Сюнсуке Фуками и его командой из Токийского университета, а моделирование проводил профессор Джованни Финуччио из Токийского университета. Результаты были опубликованы в престижном журнале Природная электроника24 июля 2024 г.

Технология на основе выпрямителя для работы с низким энергопотреблением

Усовершенствованные выпрямители (диоды Шоттки, туннельные диоды, 2D MoS-диоды)₂), а его эффективность достигала 40-70% при P_РФ ≥ -10 дБм. Однако внешняя радиочастотная мощность, доступная от радиочастотных источников, таких как маршрутизаторы Wi-Fi, составляет менее -20 дБм. Разработка высокоэффективных выпрямителей для систем малой мощности (П_РФ

Наноповоротные выпрямители могут преобразовывать радиочастотный сигнал в напряжение постоянного тока, используя эффект вращающегося диода. Хотя технология SR превзошла чувствительность диода Шоттки, ее энергоэффективность все еще низка (

Чтобы оптимизировать выходную мощность и обеспечить работу внутри кристалла, SR были соединены между собой по матричной схеме, при этом небольшие копланарные волноводы на SR использовались для передачи радиочастотной мощности, что привело к компактному размещению на кристалле и высокой эффективности. Одним из ключевых выводов является то, что эффект самонормализации, управляемый VCMA, известный в выпрямителях на основе магнитных туннельных переходов, вносит значительный вклад в работу СИ-матриц с низким энергопотреблением, с расширенной полосой пропускания и напряжением выпрямления. В результате всестороннего сравнения с методом диода Шоттки в той же окружающей среде и на основе оценки предыдущей литературы исследовательская группа обнаружила, что метод SR может быть наиболее компактной, эффективной и чувствительной технологией выпрямления.

Комментируя важность своих выводов, д-р Рагхав Шарма, первый автор статьи, сказал: «Несмотря на обширные глобальные исследования выпрямителей и устройств сбора энергии, фундаментальные ограничения в технологии выпрямителей остаются нерешенными для работы в области радиочастотной мощности при низкой мощности окружающей среды». Достижения «Вращающийся является многообещающей альтернативой, превосходящей эффективность и чувствительность нынешних диодов Шоттки в режиме малой мощности. Это достижение сравнивает технологии радиочастотных выпрямителей малой мощности, открывая путь для разработки устройств сбора и датчиков внешней радиочастотной энергии следующего поколения. на основе ротационных выпрямителей».

Следующие шаги

Исследовательская группа Национального университета Сингапура сейчас изучает возможность интеграции встроенной антенны для повышения эффективности и компактности технологий СИ. Команда также разрабатывает последовательные и параллельные соединения для настройки импеданса в больших группах SR, используя встроенные межсоединения для соединения отдельных SR. Этот подход направлен на улучшение сбора радиочастотной энергии, потенциально генерируя большое выпрямленное напряжение в несколько вольт, что устраняет необходимость в усилителе постоянного тока.

Исследователи также стремятся сотрудничать с отраслевыми и академическими партнерами для разработки самоподдерживающихся интеллектуальных систем на основе встроенных компонентов SR. Это может проложить путь к внедрению встроенных технологий для систем беспроводной зарядки и обнаружения сигналов.