Сигналы Wi-Fi для питания небольшой электроники

С наступлением цифровой эпохи количество источников Wi-Fi для беспроводной передачи данных между устройствами выросло в геометрической прогрессии. Это приводит к повсеместному использованию радиочастоты 2,4 ГГц, которую использует Wi-Fi, с доступными избыточными сигналами для альтернативного использования.

Чтобы использовать этот источник энергии, исследовательская группа из Национального университета Сингапура (NUS) и японского Университета Тохоку (TU) разработала технологию на базе сверхмалых интеллектуальных устройств, известных как осцилляторы крутящего момента (STO), для сбора и преобразования беспроводных радиочастот в энергию для питания небольшой электроники. В своем исследовании ученые 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 огромные потери. Наш последний результат - шаг к превращению доступных радиоволн 2,4 ГГц 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 IoT», - сказал профессор Ян Хёнсу (Yang Hyunsoo) из Департамента электротехники и вычислительной техники NUS, который возглавил проект.

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, электромагнитные радиоволны 2,4 ГГц, которые использует Wi-Fi, были преобразованы в сигнал постоянного напряжения, который затем передавался на конденсатор, чтобы питать светодиод на 1,6 В. Когда конденсатор заряжался в течение пяти секунд, он мог питать один светодиод в течение одной минуты после отключения беспроводного питания.

В своем исследовании ученые 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 рассогласования импеданса. С другой стороны, последовательные соединения имеют преимущество для сбора энергии из-за аддитивного эффекта диодного напряжения от STO.

Чтобы повысить способность своей технологии сбора энергии, исследователи стремятся увеличить количество STO в спроектированном ими массиве. Кроме того, они планируют протестировать свои устройства для беспроводной зарядки других полезных электронных устройств и датчиков.

Прорыв в исследованиях был сделан командой под руководством профессора Ян Хёнсу (слева). Доктор Рагхав Шарма (Raghav Sharma, справа), первый автор статьи, держит в руках микросхему, в которую встроено около 50 осцилляторов крутящего момента