Воздушное пространство вокруг нас заполнено радиочастотными сигналами сетей Wi-Fi, Bluetooth и 5G. Эти стандарты отлично подходят для передачи данных, но также представляют собой неиспользованный источник энергии. Исследователи из Национального университета Сингапура (NUS) разработали инновационную технологию сбора окружающих или «отработанных» радиочастотных сигналов и использования их для питания небольших электронных устройств.
Ключевым элементом новой технологии является наномасштабный спин-выпрямитель, способный преобразовывать чрезвычайно маломощные радиочастотные сигналы (менее -20 дБм) в пригодное для использования постоянное напряжение тока. Это устройство преодолевает основную проблему существующих радиочастотных выпрямителей, которые с трудом работают эффективно при низких уровнях мощности окружающей среды.
Наномасштабный спин-выпрямитель — компактное и эффективное устройство, преобразующее маломощные радиочастотные сигналы (Wi-Fi, 5G, Bluetooth) в постоянный ток путём использования квантовых свойств спина электронов. Основанные на эффекте спин-орбитального взаимодействия и спин-зависимом туннелировании, они преобразуют колебания магнитного момента электронов в электрический ток. Эти выпрямители перспективны для создания автономных и энергоэффективных электронных устройств, включая системы Интернета вещей (IoT).
Профессор Ян Хёнсу, возглавлявший проект, объяснил, что традиционные гигагерцовые диодные выпрямители Шоттки десятилетиями оставались в застое из-за фундаментальных термодинамических ограничений на низких уровнях мощности. Недавние разработки были сосредоточены на повышении эффективности антенн и сетей согласования импеданса, что увеличивает площадь чипа, затрудняя миниатюризацию.
Команда продемонстрировала, что наномасштабные спин-выпрямители предлагают компактный, чувствительный и эффективный способ прямого преобразования радиочастотной энергии в постоянный ток. «Наши результаты показывают, что технология SR легко интегрируется и масштабируется, что облегчает разработку крупномасштабных массивов SR для различных маломощных радиочастотных и коммуникационных приложений», — сказал Ян.
Исследователи оптимизировали спин-выпрямительные устройства в двух конфигурациях: один выпрямитель, работающий в диапазоне от -62 дБм до -20 дБм, и массив из 10 спин-выпрямителей последовательно с эффективностью преобразования 7,8%. Интеграция массива в модуль сбора энергии позволила им питать коммерческий температурный датчик при входной мощности всего -27 дБм.
Результаты, полученные в сотрудничестве с исследователями из Университета Тохоку в Японии и Университета Мессины в Италии, были опубликованы в журнале Nature Electronics 24 июля.
Хотя это захватывающее доказательство концепции, модули сбора энергии спин-ректификатора всё ещё нуждаются в улучшении. Команда Янга работает над интеграцией антенны на чипе, что может ещё больше повысить эффективность и компактность.
Исследователи также намерены сотрудничать с промышленными и академическими партнёрами для продвижения разработки самоподдерживающихся интеллектуальных систем с встроенными спин-выпрямителями. Они надеются, что это позволит создать компактные встроенные технологии для беспроводной зарядки и систем обнаружения сигналов, основанные на сборе окружающих радиочастотных сигналов.
В аналогичном исследовании корейские ученые оптимизировали технологию обратного рассеивания, что позволило устройствам отражать модулированные беспроводные сигналы для передачи данных, что привело к повышению энергоэффективности на 40% и увеличению времени работы без батареи.
Новая технология сбора энергии из радиочастотных сигналов может революционизировать питание небольших электронных устройств, сделав их более автономными и энергоэффективными.