Чтобы использовать этот недостаточно используемый источник энергии, исследовательская группа из Национального университета Сингапура (NUS) и японского Университета Тохоку (TU) разработала технологию, которая использует крошечные интеллектуальные устройства, известные как осцилляторы крутящего момента (STO), для сбора и преобразовывать беспроводные радиочастоты в энергию для питания небольшой электроники. В своем исследовании исследователи успешно собрали энергию с помощью сигналов диапазона Wi-Fi для беспроводного питания светодиода (LED) без использования какой-либо батареи.
«Мы окружены сигналами Wi-Fi, но когда мы не используем их для доступа в Интернет, они неактивны, и это огромная трата.
Наш последний результат – это шаг к тому, чтобы сделать доступным 2.Радиоволны 4 ГГц превращаются в зеленый источник энергии, что снижает потребность в батареях для питания электроники, которую мы регулярно используем. Таким образом, небольшие электрические гаджеты и датчики могут получать питание по беспроводной сети с помощью радиочастотных волн в рамках Интернета вещей. С появлением умных домов и городов наша работа может привести к появлению энергоэффективных приложений в коммуникационных, вычислительных и нейроморфных системах », – сказал профессор Ян Хёнсу из отдела электротехники и компьютерной инженерии NUS, возглавивший проект.
Исследование проводилось в сотрудничестве с исследовательской группой профессора Го Юн Синя, который также работает с кафедры электротехники и вычислительной техники NUS, а также профессором Шунсуке Фуками и его командой из TU.
Результаты были опубликованы в Nature Communications 18 мая 2021 года.
Преобразование сигналов Wi-Fi в полезную энергию
Генераторы крутящего момента – это класс новых устройств, которые генерируют микроволны и находят применение в системах беспроводной связи. Однако применение STO затруднено из-за низкой выходной мощности и широкой ширины линии.
В то время как взаимная синхронизация нескольких STO является способом преодоления этой проблемы, существующие схемы, такие как магнитная связь ближнего действия между несколькими STO, имеют пространственные ограничения. С другой стороны, электрическая синхронизация на большие расстояния с использованием вихревых генераторов ограничена частотными характеристиками всего в несколько сотен МГц. Также требуются выделенные источники тока для отдельных STO, что может усложнить общую реализацию на кристалле.
Чтобы преодолеть пространственные и низкочастотные ограничения, исследовательская группа разработала массив, в котором восемь STO соединены последовательно. Используя этот массив, 2.Электромагнитные радиоволны 4 ГГц, которые использует WiFi, были преобразованы в сигнал постоянного напряжения, который затем передавался на конденсатор, чтобы зажечь 1.6-вольтовый светодиод.
Когда конденсатор заряжался в течение пяти секунд, он мог загореться тот же светодиод в течение одной минуты после отключения беспроводного питания.
В своем исследовании исследователи также подчеркнули важность электрической топологии для проектирования систем STO на кристалле и сравнили последовательную конструкцию с параллельной. Они обнаружили, что параллельная конфигурация более полезна для беспроводной передачи из-за лучшей стабильности во временной области, характеристик спектрального шума и контроля несоответствия импеданса. С другой стороны, последовательные соединения имеют преимущество для сбора энергии из-за аддитивного эффекта диодного напряжения от STO.
Комментируя важность их результатов, доктор Рагхав Шарма, первый автор статьи, поделился: «Помимо создания массива STO для беспроводной передачи и сбора энергии, наша работа также продемонстрировала контроль над синхронизирующим состоянием связанных STO с использованием блокировка инжекции от внешнего радиочастотного источника. Эти результаты важны для перспективных приложений синхронизированных STO, таких как высокоскоростные нейроморфные вычисления."
Следующие шаги
Чтобы повысить способность своей технологии собирать энергию, исследователи стремятся увеличить количество STO в спроектированном ими массиве.
Кроме того, они планируют протестировать свои энергоуборочные комбайны для беспроводной зарядки других полезных электронных устройств и датчиков.
Исследовательская группа также надеется работать с отраслевыми партнерами для изучения разработки встроенных STO для автономных интеллектуальных систем, которые могут открыть возможности для беспроводной зарядки и систем обнаружения беспроводных сигналов.