U značajnom napretku za održive energetske solucije, istraživači su predstavili inovativnu tehniku koja efikasno pretvara ambijentalne radiofrekvencijske (RF) signale u jednosmjernu (DC) struju. Ova tehnologija može napajati elektronske uređaje i senzore bez potrebe za baterijama.
Iskorištavanje ambijentalnih RF signala za uređaje bez baterija
S porastom bežičnih tehnologija kao što su Wi-Fi, Bluetooth i 5G, RF signali su sveprisutni. Tim naučnika sa Nacionalnog univerziteta u Singapuru (NUS) kreirao je prototip modula za sakupljanje energije koji pretvara ove ambijentalne RF signale u DC struju, potencijalno eliminirajući potrebu za baterijama u malim elektronskim uređajima.
Tehnologija sakupljanja RF energije je ključna za smanjenje zavisnosti od baterija, produžavanje trajanja uređaja, minimiziranje uticaja na okoliš i poboljšanje praktičnosti bežičnih senzorskih mreža i IoT uređaja, posebno u udaljenim područjima gdje je zamjena baterija nepraktična.
Prevazilaženje izazova sakupljanja RF energije
Uprkos svom potencijalu, sakupljanje RF energije suočava se s izazovima zbog niske snage ambijentalnih RF signala (obično manje od -20 dBm). Trenutna tehnologija ispravljača često ne radi efikasno na ovim niskim nivoima snage. Iako poboljšanje efikasnosti antene i usklađivanja impedanse može poboljšati performanse, to takođe povećava veličinu čipova, komplikujući integraciju i minijaturizaciju.
Da bi prevazišli ove probleme, istraživači sa NUS-a, u saradnji sa naučnicima sa Univerziteta Tohoku (TU) u Japanu i Univerziteta u Mesini (UNIME) u Italiji, razvili su kompaktnu i osjetljivu tehnologiju ispravljača. Ova tehnologija koristi nanoskalne spin-ispravljače (SR) za pretvaranje ambijentalnih RF signala na nivoima snage ispod -20 dBm u DC struju.
Inovativna tehnologija spin-ispravljača
Istraživački tim je optimizirao SR uređaje i dizajnirao dvije konfiguracije: jedan SR-bazirani rectenna operativan između -62 dBm i -20 dBm, i niz od 10 SR-ova u seriji koji postiže efikasnost od 7,8% i osjetljivost bez pristranosti od približno 34.500 mV/mW. Integracijom SR-niza u modul za sakupljanje energije, uspješno su napajali komercijalni temperaturni senzor na -27 dBm.
„Sakupljanje ambijentalnih RF elektromagnetnih signala je ključno za unapređenje energetski efikasnih elektronskih uređaja i senzora,“ objasnio je profesor Yang Hyunsoo sa Odsjeka za elektrotehniku i računarstvo na NUS College of Design and Engineering, koji je vodio projekat. Dodao je, „Nanoskalni spin-ispravljači nude kompaktnu tehnologiju za osjetljivo i efikasno pretvaranje RF-a u DC.“
Profesor Yang je elaborirao na njihovom proboju: „Optimizirali smo spin-ispravljače za rad na niskim nivoima RF snage dostupnim u ambijentu, integrirajući niz ovih ispravljača u modul za sakupljanje energije za napajanje LED-ova i komercijalnih senzora na nivoima RF snage manjim od -20 dBm. Naši rezultati pokazuju da je SR-tehnologija lako integrisana i skalabilna, olakšavajući razvoj velikih SR-nizova za različite niskopotrošne RF i komunikacione aplikacije.“
Istraživanje je sprovedeno u saradnji sa timom profesora Shunsuke Fukami sa TU, dok je simulacije izveo profesor Giovanni Finocchio sa UNIME. Njihova otkrića su objavljena u prestižnom časopisu Nature Electronics 24. jula 2024.
Unapređenje tehnologije niskopotrošnih ispravljača
Tradicionalni ispravljači, kao što su Schottky diode i tunelske diode, postižu efikasnosti od 40-70% na nivoima RF snage iznad -10 dBm. Međutim, RF snaga iz izvora kao što su Wi-Fi ruteri je obično ispod -20 dBm. Razvoj visoko efikasnih ispravljača za ove niskopotrošne režime je izazovan zbog termodinamičkih ograničenja i visokofrekventnih parazitskih efekata. Dodatno, čipovi za ispravljanje zahtijevaju vanjske antene i krugove za usklađivanje impedanse, otežavajući skaliranje čipova.
Nanoskalni spin-ispravljači mogu pretvoriti RF signale u DC struju koristeći spin-diodni efekt. Uprkos tome što su nadmašili osjetljivost Schottky dioda, njihova efikasnost na niskim nivoima snage je i dalje manja od 1%. Da bi riješili ovaj problem, istraživački tim je proučavao intrinzična svojstva SR-a, uključujući okomitu anizotropiju, geometriju uređaja i dipolarno polje iz polarizacijskog sloja, kao i faktore dinamičkog odgovora poput tunelskog magnetootpora bez polja i naponom kontrolisane magnetske anizotropije (VCMA). Optimizacijom ovih parametara i usklađivanjem impedanse sa jednim SR-om, dizajnirali su ultra-niskopotrošni SR-rectenna.
Da bi poboljšali izlaz i omogućili rad na čipu, SR-ovi su povezani u niz, koristeći male koplanarne talasovode za spajanje RF snage, što rezultira kompaktnom površinom na čipu i visokom efikasnošću. Samoparametrički efekt pokretan poznatim VCMA u spin-ispravljačima baziranim na magnetskim tunelskim spojevima značajno doprinosi radu na niskoj snazi, povećavajući širinu pojasa i naponsku ispravku. U poređenju sa tehnologijom Schottky dioda, SR-tehnologija se pokazala kao kompaktnija, efikasnija i osjetljivija.
Dr. Raghav Sharma, prvi autor rada, izjavio je: „Tehnologija spin-ispravljača nudi obećavajuću alternativu, nadmašujući trenutnu efikasnost i osjetljivost Schottky dioda u niskopotrošnim režimima. Ovaj napredak postavlja standarde za RF ispravljačke tehnologije pri niskim snagama, otvarajući put za dizajn nove generacije sakupljača ambijentalne RF energije i senzora zasnovanih na spin-ispravljačima.“
Budući pravci za sakupljanje RF energije
Istraživački tim sa NUS-a sada istražuje integraciju antene na čipu kako bi dodatno unaprijedili efikasnost i kompaktnost SR tehnologija. Takođe razvijaju serijsko-paralelne veze za podešavanje impedanse u velikim nizovima SR-ova, koristeći međusobne poveznice na čipu za povezivanje pojedinačnih SR-ova. Ovaj pristup ima za cilj poboljšanje sakupljanja RF snage, potencijalno generirajući značajan ispravljeni napon i eliminirajući potrebu za DC-to-DC boosterom.
Istraživači planiraju suradnju sa industrijskim i akademskim partnerima radi unapređenja samoodrživih pametnih sistema zasnovanih na SR ispravljačima na čipu, otvarajući put za kompaktnu tehnologiju na čipu za bežično punjenje i sisteme za detekciju signala.
Fokusiranjem na održiva i efikasna energetska rješenja, istraživači sa NUS-a trasiraju put za budućnost u kojoj elektronski uređaji i senzori mogu raditi nezavisno od baterija, značajno smanjujući uticaj na okoliš i poboljšavajući praktičnost bežičnih tehnologija u različitim aplikacijama.