Ученые создали устройство питания электроники от окружающих радиосигналов

Новую технологию питания электронных устройств, не требующую использования батареек, которая основана на преобразовании в электричество радиочастотных сигналов окружающей среды, разрабатывают исследователи Национального университета Сингапура (NUS), 24 июля сообщает пресс-служба вуза.

Ученые NUS создали прототип модуля сбора энергии, который преобразовывает внешние или «ненужные» радиосигналы в напряжение постоянного тока. Подобные устройства смогут питать небольшие электронные устройства без использования батареек, поскольку в настоящее время широко используются беспроводные технологии передачи информации, такие как Wi-Fi, Bluetooth и 5G, основанные на радиочастотных сигналах (RF).

Технологии сбора радиочастотной энергии могут снизить зависимость от батарей, продлить срок службы электронных устройств, минимизировать воздействие RF на окружающую среду. Они повысят эффективность беспроводных сенсорных сетей и устройств Интернета вещей для отдаленных районов, где частая замена батарей неудобна.

Однако разработка таких технологий сталкивается с проблемами из-за низкой мощности окружающего радиосигнала (обычно это менее -20 дБм). Существующие современные выпрямители (например, диоды Шоттки) в этом случае либо не работают, либо демонстрируют низкую эффективность преобразования радиочастотного сигнала в постоянный.

Профессор Хёнсу Янг с кафедры электротехники и вычислительной техники Колледжа дизайна и инженерии NUS, возглавивший проект, пояснил:

«Сбор радиочастотных электромагнитных сигналов окружающей среды имеет решающее значение для создания энергоэффективных электронных устройств и датчиков. Однако существующие модули сбора энергии сталкиваются с проблемами при работе при низкой мощности окружающей среды из-за ограничений в существующих выпрямительных технологиях».

Повышение эффективности антенны и согласование импеданса, которые могут повысить производительность, приводят к увеличению размера встроенного чипа, препятствуя его интеграции и миниатюризации.

За решение этих проблем взялась команда исследователей NUS в сотрудничестве с учеными из японского Университета Тохоку (TU) и итальянского Университета Мессины (UNIME). Ими была разработана чувствительная выпрямительная технология, использующая наноразмерный спин-выпрямитель (SR) для преобразования окружающих беспроводных радиочастотных сигналов при мощности менее -20 дБм в постоянное напряжение.

Команда разработала две конфигурации SR-устройства. Первое — ректенна на базе SR, то есть нелинейная антенна, преобразующая энергию поля падающей на нее электромагнитной волны в энергию постоянного тока. Она работает в диапазоне от -62 дБм до -20 дБм.

Второе устройство представляет собой массив из 10 последовательных SR-устройств. Оно обеспечивает эффективность 7,8% и чувствительность к нулевому смещению приблизительно 34 500 мВ/МВт. Интегрируя SR-матрицу в модуль сбора энергии, исследователи обеспечили питание коммерческого датчика температуры на уровне -27 дБм.

Рассказывая о прорывной технологии, разработанной командой, профессор Янг сказал:

«Мы оптимизировали вращающиеся выпрямители для работы при низких уровнях радиочастотной мощности, доступных в окружающей среде, и интегрировали набор таких вращающихся выпрямителей в модуль сбора энергии для питания светодиодов и коммерческих датчиков при радиочастотной мощности менее -20 дБм. Наши результаты демонстрируют, что SR-технология проста в интеграции и масштабировании, что облегчает разработку крупномасштабных SR-матриц для различных маломощных радиочастотных и коммуникационных приложений».

Экспериментальное исследование разработанного модуля было проведено в сотрудничестве с профессором Сюнсукэ Фуками и его командой из TU, а моделирование провел профессор Джованни Финоккио из UNIME.

Результаты исследования были представлены в статье «Наноразмерные спиновые выпрямители для сбора окружающей радиочастотной энергии», опубликованной в журнале Nature Electronics 24 июля 2024 года.

Наноразмерные спиновые выпрямители могут преобразовывать радиочастотный сигнал в постоянное напряжение, используя эффект спинового диода. Однако эффективность технологии, основанной на SR, при низком энергопотреблении всё еще остается низкой (< 1%).

Для преодоления ограничений, связанных с низким энергопотреблением, исследовательская группа изучила внутренние свойства SR, такие как перпендикулярная анизотропия, геометрия устройства и дипольное поле от слоя поляризатора, а также динамический отклик, определяемый туннельным магнитосопротивлением в нулевом поле и магнитной анизотропией, управляемой напряжением (VCMA).

Используя полученные данные, исследователи разработали SR-ректенну сверхмалой мощности. Для повышения производительности такие SR-ректенны были объединены в виде матрицы с небольшими копланарными (плоскими) волноводами на SR, что позволило сформировать компактную площадь на кристалле и обеспечить высокую эффективность устройства.

Комментируя важность полученных результатов, первый автор статьи доктор Рагхав Шарма из NUS, сообщил:

«Несмотря на обширные глобальные исследования в области выпрямителей и модулей сбора энергии, фундаментальные ограничения в технологии выпрямителей остаются нерешенными для работы при низкой радиочастотной мощности окружающей среды. Технология спинового выпрямителя предлагает многообещающую альтернативу, превосходящую современные диоды Шоттки по эффективности и чувствительности в режиме пониженного энергопотребления. Это усовершенствование является эталоном технологий радиочастотных выпрямителей при низкой мощности, прокладывая путь к разработке устройств сбора радиочастотной энергии следующего поколения и датчиков на основе спиновых выпрямителей».

В настоящее время исследовательская группа NUS изучает возможность интеграции встроенной антенны для повышения эффективности и компактности технологий SR. Команда также разрабатывает последовательно-параллельные соединения для настройки полного сопротивления в больших массивах SR, используя межсоединения на чипе для подключения отдельных SR.

Ученые надеются с помощью этого подхода добиться повышения эффективности сбора радиочастотной энергии, чтобы генерировать своим устройством значительное выпрямленное напряжение в несколько вольт, устранив таким образом необходимость в усилителе постоянного тока.

Еще одним направлением исследований предполагается разработка автономных, самоподдерживающихся интеллектуальных систем на основе встроенных SR-выпрямителей, в том числе систем обнаружения сигналов.