无电池技术通过环境射频信号为设备供电

Wi-Fi、蓝牙和 5G 等普及的无线技术依靠射频 (RF) 信号发送和接收数据。 由新加坡国立大学 (NUS) 科学家领导的团队开发的新型能量收集模块原型现在可以将环境或“废弃”射频信号转换为直流 (DC) 电压。 这可以用来为小型电子设备供电，而无需使用电池。

诸如此类的射频能量收集技术至关重要，因为它们可以减少对电池的依赖，延长设备寿命，减少对环境的影响，并提高无线传感器网络和物联网设备在无法频繁更换电池的偏远地区的可行性。

然而，由于环境射频信号功率较低（通常小于-20 dBm），射频能量收集技术面临挑战，其中整流器技术无法工作或表现出较低的射频到直流转换效率。 虽然提高天线效率和阻抗匹配可以提高性能，但这也会增加芯片尺寸，给集成和小型化带来障碍。

为了应对这些挑战，新加坡国立大学的研究团队与日本东北大学 (TU) 和意大利墨西拿大学 (UNIME) 的科学家合作，开发了一种紧凑而灵敏的整流器技术，该技术使用纳米级旋转整流器 (SR) 可将低于 -20 dBm 的环境射频信号强大地转换为直流电压。

该团队改进了 SR 设备并设计了两种配置：1) 单个基于 SR 的直天线在 -62 dBi 和 -20 dBi 之间运行，2) 10 个串联的 SR 设备阵列实现了 7.8% 的效率和零效率。偏置灵敏度约为 34,500 mV/mW。 通过将 SR 阵列集成到能量收集模块中，他们成功操作了 -27 dBm 的商用温度传感器。

麻省理工学院的 Yang Hyun-soo 教授解释说：“收集环境电磁信号对于开发节能电子设备和传感器至关重要。然而，由于当前整流器技术的限制，当前的能量收集模块在低环境功率下运行面临着挑战。” 。 电气与计算机工程系 在里面 新加坡国立大学设计与工程学院，谁领导了这个项目。

杨教授补充道：“例如，由于低功率下的热力学限制，GHz 肖特基二极管技术几十年来一直处于饱和状态，最近的努力只集中于提高天线效率和阻抗匹配网络，而牺牲了更大的片上指纹。”纳米整流器提供紧凑的技术，可以灵敏、高效地将射频转换为直流电。”

在解释该团队的开创性技术时，杨教授表示：“我们优化了自行车骑行者，使其能够在周围环境中的低射频功率水平下运行，并将一组自行车骑行者集成到能量收集模块中，为商业 LED 和传感器提供动力”功率小于-20 dBm。我们的结果表明陀螺仪整流器技术易于集成和扩展，有助于开发用于各种低功率射频和通信应用的大型陀螺仪整流器组件。”

实验研究是与东京大学的 Shunsuke Fukami 教授及其团队合作进行的，而模拟则是由东京大学的 Giovanni Finuccio 教授进行的。 结果发表在权威杂志上， 自然电子学2024 年 7 月 24 日。

基于整流器的低功耗运行技术

先进整流器（肖特基二极管、隧道二极管、2D MoS2 二极管）₂），其效率在 P 时达到 40-70%_射频 ≥-10dBm。 然而，Wi-Fi 路由器等 RF 源提供的环境 RF 功率小于 -20 dBm。 低功率系统用高效整流器的开发（P_射频

纳米旋转整流器可以利用旋转二极管效应将射频信号转换为直流电压。 虽然SR技术已经超越了肖特基二极管的灵敏度，但其低功率效率仍然较低（

为了优化输出并实现片上操作，SR 以矩阵排列方式互连，SR 上的小型共面波导用于耦合 RF 功率，从而实现紧凑的片上占用空间和高效率。 其中一项关键发现是，基于磁隧道结的整流器中已知的 VCMA 驱动的自归一化效应对 SR 阵列的低功耗运行有显着贡献，并具有增强的带宽和整流电压。 通过在相同环境条件下与肖特基二极管技术的综合比较以及对以往文献的评估，研究团队发现SR技术可能是最紧凑、最高效、最灵敏的整流技术。

该论文的第一作者 Raghav Sharma 博士在评论其研究结果的重要性时表示：“尽管全球对整流器和能量收集单元进行了广泛的研究，但整流器技术对于低环境功率射频操作的基本限制仍未得到解决。” “旋转是一种很有前途的替代方案，在低功耗状态下的效率和灵敏度超过了当前肖特基二极管。这一进步比较了低功耗射频整流器技术，为下一代环境射频能量采集器和传感器的设计铺平了道路基于旋转整流器。”

下一步

新加坡国立大学的研究团队目前正在探索集成片上天线的可能性，以提高 SR 技术的效率和紧凑性。 该团队还在开发用于大组 SR 阻抗调谐的串联和并联连接，使用片上互连来连接各个 SR。 这种方法旨在改善射频能量收集，可能产生几伏的大整流电压，从而消除对直流到直流升压器的需要。

研究人员还致力于与行业和学术合作伙伴合作，开发基于片上 SR 组件的自我维持智能系统。 这可能为无线充电和信号检测系统的片上技术铺平道路。