Le tecnologie wireless pervasive come Wi-Fi, Bluetooth e 5G si basano su segnali in radiofrequenza (RF) per inviare e ricevere dati. Un nuovo prototipo di modulo di raccolta di energia – sviluppato da un team guidato da scienziati dell’Università Nazionale di Singapore (NUS) – può ora convertire segnali di radiofrequenza ambientale o “di scarto” in tensione di corrente continua (CC). Può essere utilizzato per alimentare piccoli dispositivi elettronici senza l’utilizzo di batterie.
Le tecnologie di raccolta dell’energia RF, come queste, sono essenziali perché riducono la dipendenza dalla batteria, prolungano la durata dei dispositivi, riducono l’impatto ambientale e migliorano la fattibilità delle reti di sensori wireless e dei dispositivi IoT in aree remote dove la sostituzione frequente della batteria non è praticabile.
Tuttavia, le tecnologie di raccolta dell’energia RF devono affrontare sfide a causa della bassa potenza del segnale RF ambientale (tipicamente inferiore a -20 dBm), dove la tecnologia del raddrizzatore non funziona o mostra una bassa efficienza di conversione da RF a CC. Sebbene il miglioramento dell’efficienza dell’antenna e dell’adattamento dell’impedenza possa migliorare le prestazioni, ciò aumenta anche le dimensioni del chip, presentando ostacoli all’integrazione e alla miniaturizzazione.
Per affrontare queste sfide, un team di ricercatori dell’Università Nazionale di Singapore, in collaborazione con scienziati dell’Università di Tohoku (TU) in Giappone e dell’Università di Messina (UNIME) in Italia, ha sviluppato una tecnologia di raddrizzatore compatta e sensibile che utilizza nanoscala raddrizzatore rotante (SR) per trasformare in modo potente i segnali RF ambientali inferiori a -20 dBm in tensione CC.
Il team ha migliorato i dispositivi SR e ha progettato due configurazioni: 1) una singola antenna diritta basata su SR che opera tra -62 dBi e -20 dBi e 2) una serie di 10 dispositivi SR in serie che raggiungono un’efficienza del 7,8% e un’efficienza pari a zero sensibilità al bias di circa 34.500 mV/mW. Integrando l’array SR in un modulo di raccolta di energia, hanno gestito con successo un sensore di temperatura commerciale a -27 dBm.
“La raccolta dei segnali elettromagnetici ambientali è fondamentale per lo sviluppo di dispositivi elettronici e sensori efficienti dal punto di vista energetico. Tuttavia, gli attuali moduli di raccolta dell’energia devono affrontare sfide nel funzionamento a bassa potenza ambientale a causa delle limitazioni dell’attuale tecnologia dei raddrizzatori”, ha spiegato il professor Yang Hyun-soo del MIT. . Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica Nel Facoltà di Design e Ingegneria presso l’Università Nazionale di Singaporeche ha guidato il progetto.
“Ad esempio, la tecnologia dei diodi Schottky a GHz è rimasta saturata per decenni a causa delle limitazioni termodinamiche a bassa potenza, con sforzi recenti concentrati solo sul miglioramento dell’efficienza dell’antenna e delle reti di adattamento dell’impedenza, a scapito di impronte digitali più grandi sul chip”, ha aggiunto il professor Yang. I nano raddrizzatori forniscono una tecnologia compatta per convertire la RF in CC in modo sensibile ed efficiente”.
Spiegando la tecnologia pionieristica del team, il professor Yang ha affermato: “Abbiamo ottimizzato i ciclisti affinché funzionino a bassi livelli di potenza RF disponibili nell’ambiente circostante e abbiamo integrato una serie di questi ciclisti in un modulo di raccolta di energia per alimentare un LED commerciale e un sensore a “RF la potenza è inferiore a -20 dBm. I nostri risultati dimostrano che la tecnologia dei raddrizzatori giroscopici è facile da integrare e scalabile, facilitando lo sviluppo di gruppi raddrizzatori giroscopici su larga scala per varie applicazioni RF e di comunicazione a bassa potenza.”
La ricerca sperimentale è stata condotta in collaborazione con il professor Shunsuke Fukami e il suo team dell’Università di Tokyo, mentre la simulazione è stata condotta dal professor Giovanni Finuccio dell’Università di Tokyo. I risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Elettronica della naturaIl 24 luglio 2024.
Tecnologia basata su raddrizzatore per il funzionamento a bassa potenza
Raddrizzatori avanzati (diodi Schottky, diodi tunnel, diodi MoS 2D)2), e la sua efficienza ha raggiunto il 40-70% a PRF ≥ -10dBm. Tuttavia, la potenza RF ambientale disponibile da sorgenti RF come i router Wi-Fi è inferiore a -20 dBm. Sviluppo di raddrizzatori ad alta efficienza per sistemi a bassa potenza (PRF
I nano raddrizzatori rotativi possono convertire un segnale RF in una tensione CC utilizzando l’effetto diodo rotante. Sebbene la tecnologia SR abbia superato la sensibilità del diodo Schottky, la sua bassa efficienza energetica è ancora bassa (
Per ottimizzare l’output e ottenere il funzionamento su chip, gli SR sono stati interconnessi in una disposizione a matrice, con piccole guide d’onda complanari sugli SR utilizzate per accoppiare la potenza RF, risultando in un ingombro compatto su chip e un’elevata efficienza. Uno dei risultati principali è che l’effetto di autonormalizzazione guidato dal VCMA, noto nei raddrizzatori basati su giunzione a tunnel magnetico, contribuisce in modo significativo al funzionamento a bassa potenza degli array SR, con larghezza di banda e tensione di rettifica migliorate. In un confronto completo con la tecnica del diodo Schottky nella stessa situazione ambientale e da una valutazione della letteratura precedente, il gruppo di ricerca ha scoperto che la tecnica SR potrebbe essere la tecnologia di raddrizzatore più compatta, efficiente e sensibile.
Commentando l’importanza delle loro scoperte, il dottor Raghav Sharma, primo autore dell’articolo, ha affermato: “Nonostante l’ampia ricerca globale sui raddrizzatori e sulle unità di raccolta dell’energia, i limiti fondamentali nella tecnologia dei raddrizzatori rimangono irrisolti per il funzionamento della tecnologia dei raddrizzatori RF a bassa potenza ambientale”. Progressi “Il Rotary è un’alternativa promettente, che supera l’efficienza e la sensibilità degli attuali diodi Schottky nel regime di bassa potenza. Questo progresso mette a confronto le tecnologie dei raddrizzatori RF a bassa potenza, aprendo la strada alla progettazione di raccoglitori e sensori di energia RF ambientale di prossima generazione basato su raddrizzatori rotanti.”
Prossimi passi
Il gruppo di ricerca dell’Università Nazionale di Singapore sta ora esplorando la possibilità di integrare un’antenna su chip per migliorare l’efficienza e la compattezza delle tecnologie SR. Il team sta inoltre sviluppando connessioni in serie e in parallelo per la sintonizzazione dell’impedenza in grandi gruppi di SR, utilizzando interconnessioni su chip per connettere singoli SR. Questo approccio mira a migliorare la raccolta di energia RF, generando potenzialmente una grande tensione raddrizzata di pochi volt, eliminando così la necessità di un booster DC-DC.
I ricercatori mirano inoltre a collaborare con partner industriali e accademici per sviluppare sistemi intelligenti autosufficienti basati su componenti SR su chip. Ciò potrebbe aprire la strada alle tecnologie su chip per la ricarica wireless e i sistemi di rilevamento del segnale.
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