С наступлением цифровой эры количество источников Wi-Fi для беспроводной передачи информации между устройствами растет в геометрической прогрессии. Это приводит к широкому использованию радиочастоты 2,4 ГГц, которую использует Wi-Fi, с избыточными сигналами, доступными для использования в альтернативных целях.
Чтобы применить этот недостаточно используемый источник энергии, исследовательская группа из Национального университета Сингапура (NUS) и Японского университета Тохоку (TU) разработала технологию, которая задействует крошечные интеллектуальные устройства, известные как генераторы вращающего момента (STOs), для сбора и преобразования беспроводных радиочастот в энергию для питания малой электроники. В своем исследовании исследователи успешно собирали энергию с помощью сигналов Wi-Fi-диапазона для беспроводного питания светодиода (LED) и 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 времени. Наш последний результат — это шаг к превращению легкодоступных радиоволн частотой 2,4 ГГц в зеленый источник энергии, что, следовательно, снижает потребность в батареях для питания электроники, которую мы регулярно используем. Таким образом, небольшие электрические устройства и датчики могут питаться по беспроводной сети с помощью радиочастотных волн как часть Интернета вещей. С появлением умных домов и городов наша работа может привести к появлению энергоэффективных приложений в области связи, вычислительной техники и нейроморфных систем», -сообщил профессор Ян Хэнсу (Yang Hyunsoo) из Департамента электротехники и вычислительной техники NUS, возглавлявший этот проект.
Исследование проводилось в сотрудничестве с группой профессора Го Ен Синя (Guo Yong Xin), который также является сотрудником кафедры электротехники и вычислительной техники NUS, а также профессором Сюнсуке Фуками (Shunsuke Fukami) и его командой из TU. Результаты были опубликованы в Nature Communications 18 мая 2021 года.
Преобразование сигналов Wi-Fi в полезную энергию
Генераторы вращающего момента — это класс новых устройств, генерирующих микроволны и имеющих применение в системах беспроводной связи. Однако применение ГВМ затруднено из-за низкой выходной мощности и широкой ширины линии.
Хотя взаимная синхронизация нескольких ГВМ является способом преодоления этой проблемы, современные схемы, такие как короткодействующая магнитная связь между несколькими ГВМ, имеют пространственные ограничения. С другой стороны, дальнодействующая электрическая синхронизация с использованием вихревых генераторов ограничена частотными характеристиками всего в несколько сотен МГц. Она также требует выделенных источников тока для отдельных ГВМ, что может усложнить общую реализацию на кристалле.
Чтобы преодолеть пространственные и низкочастотные ограничения, исследовательская группа разработала массив, в котором восемь ГВМ соединены последовательно. С помощью этой матрицы электромагнитные радиоволны 2,4 ГГц, используемые Wi-Fi, были преобразованы в сигнал постоянного напряжения, который затем был передан на конденсатор, чтобы зажечь 1,6-вольтовый светодиод. Когда конденсатор заряжался в течение пяти секунд, он мог светиться тем же светодиодом в течение одной минуты после отключения беспроводного питания.
В своем исследовании ученые также подчеркнули важность электрической топологии для проектирования систем на кристалле ГВМ и сравнили последовательный дизайн с параллельным. Они обнаружили, что параллельная конфигурация более полезна для беспроводной передачи данных из-за лучшей стабильности во временной области, спектрального шума и контроля несоответствия импеданса. С другой стороны, последовательные соединения имеют преимущество для сбора энергии из-за аддитивного эффекта диодного напряжения от ГВМ.
Комментируя важность полученных результатов, д-р Рагхав Шарма, первый автор статьи, поделился: «Помимо создания массива ГВМ для беспроводной передачи и сбора энергии, наша работа также продемонстрировала контроль над синхронизирующим состоянием связанных ГВМ с помощью инжекционной блокировки от внешнего радиочастотного источника. Эти результаты важны для перспективных применений синхронизированных ГВМ, таких как быстродействующие нейроморфные вычисления».
Следующие шаги
Чтобы повысить способность своей технологии собирать энергию, исследователи хотят увеличить количество ГВМ в разработанном ими массиве. Кроме того, они планируют протестировать свои энергетические комбайны для беспроводной зарядки других полезных электронных устройств и датчиков.
Исследовательская группа также надеется работать с отраслевыми партнерами для изучения разработки на кристалле ГВМ для автономных интеллектуальных систем, которые могут открыть возможности для беспроводной зарядки и беспроводных систем обнаружения сигналов.
Источник: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/05/210518114153.htm
Материалы предоставлены Национальным университетом Сингапура.
Ссылка на журнал:
- Рагхав Шарма, Рахул Мишра, Тун Нго, Ен-Синь Го, Шунсуке Фуками, Хидео Сато, Хидео Оно, Хюнсу Ян. Электрически подключенная матрица генераторов вращающего момента для передачи полосы Wi-Fi 2,4 ГГц и сбора энергии. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-23181-1