新加坡國立大學開發(fā)出無電池新技術(shù)，通過環(huán)境射頻信號為電子設(shè)備供電

近日，新加坡國立大學（NUS）的研究人員展示了一項突破性的技術(shù)，能夠高效地將環(huán)境中的低功率射頻（RF）信號轉(zhuǎn)化為直流電（DC），為電子設(shè)備和傳感器供電，實現(xiàn)無電池運行。這一創(chuàng)新為綠色能源的發(fā)展帶來了新的希望，也為未來的電子設(shè)備提供了可持續(xù)發(fā)展的解決方案。

突破性技術(shù)：高效轉(zhuǎn)化環(huán)境射頻信號

當前，Wi-Fi、藍牙、5G等無線技術(shù)廣泛應(yīng)用于日常生活和工業(yè)領(lǐng)域。這些技術(shù)依賴射頻信號進行數(shù)據(jù)傳輸，而NUS團隊開發(fā)的新型能量采集模塊能夠?qū)⑦@些環(huán)境中常見的“廢棄”RF信號轉(zhuǎn)化為直流電壓，從而為小型電子設(shè)備提供電力支持，無需依賴傳統(tǒng)電池。

RF能量采集技術(shù)的出現(xiàn)，顯著減少了對電池的依賴，延長了設(shè)備的使用壽命，并降低了環(huán)境影響，尤其是在偏遠地區(qū)或無法頻繁更換電池的情況下，這項技術(shù)展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。

應(yīng)對挑戰(zhàn)：在低功率射頻信號下實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)化

盡管RF能量采集技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，但由于環(huán)境中射頻信號的功率較低（通常低于-20 dBm），現(xiàn)有的整流器技術(shù)在此情況下要么無法正常工作，要么RF到DC的轉(zhuǎn)化效率較低。雖然提升天線效率和阻抗匹配可以改善性能，但這也導(dǎo)致芯片尺寸增大，給集成和小型化帶來了障礙。

為了解決這一難題，NUS的研究團隊與日本東北大學（TU）和意大利墨西拿大學（UNIME）的科學家合作，開發(fā)出了一種緊湊且靈敏的整流器技術(shù)。這項技術(shù)利用納米級旋轉(zhuǎn)整流器（SR），能夠在功率低于-20 dBm的環(huán)境無線射頻信號下，將其轉(zhuǎn)化為直流電壓。

技術(shù)創(chuàng)新：納米級旋轉(zhuǎn)整流器的應(yīng)用

NUS團隊優(yōu)化了旋轉(zhuǎn)整流器設(shè)備，并設(shè)計了兩種配置：一種是單一SR整流天線，工作范圍在-62 dBm至-20 dBm之間；另一種是由10個SR串聯(lián)組成的陣列，實現(xiàn)了7.8%的轉(zhuǎn)化效率和約34,500 mV/mW的零偏置靈敏度。研究團隊成功將SR陣列集成到能量采集模塊中，在-27 dBm的RF功率下為商用溫度傳感器供電。

NUS電氣與計算機工程系的楊炯洙教授是該項目的主要負責人，他解釋道：“采集環(huán)境射頻電磁信號對推進能效高的電子設(shè)備和傳感器至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有的能量采集模塊由于整流器技術(shù)的限制，在低功率環(huán)境下難以正常工作。我們開發(fā)的納米級旋轉(zhuǎn)整流器技術(shù)，為敏感且高效的RF到DC轉(zhuǎn)化提供了一種緊湊型解決方案?！?/p>

楊教授補充道：“我們優(yōu)化了旋轉(zhuǎn)整流器，使其能夠在環(huán)境中常見的低功率射頻信號下工作，并將多個旋轉(zhuǎn)整流器集成到能量采集模塊中，在RF功率低于-20 dBm的情況下成功為LED和商用傳感器供電。我們的研究結(jié)果表明，SR技術(shù)易于集成且具備擴展性，有助于開發(fā)適用于各種低功率RF和通信應(yīng)用的大規(guī)模SR陣列?！?/p>

未來展望：實現(xiàn)自給自足的智能系統(tǒng)

NUS的研究團隊正在探索集成片上天線的可能性，以提高SR技術(shù)的效率和緊湊性。研究人員還在開發(fā)串并聯(lián)連接方式，以調(diào)整大規(guī)模SR陣列中的阻抗，利用片上互連將各個SR連接起來。此舉旨在提高RF功率的采集能力，潛在地生成幾伏的整流電壓，從而消除對DC到DC升壓器的需求。

該團隊還計劃與工業(yè)和學術(shù)伙伴合作，推動基于片上SR整流器的自給自足智能系統(tǒng)的發(fā)展。這一合作有望為無線充電和信號檢測系統(tǒng)開發(fā)緊湊型片上技術(shù)鋪平道路。