فناوری‌های بی‌سیم نظیر Wi-Fi، بلوتوث و ۵G برای ارسال و دریافت داده‌ها به سیگنال‌های فرکانس رادیویی (RF) متکی هستند. به تازگی نمونه اولیه از یک ماژول جمع‌آوری انرژی کننده توسط تیمی به رهبری دانشمندان دانشگاه ملی سنگاپور (NUS)ساخته شده است که می‌تواند سیگنال‌های RF محیطی یا ضایعاتی را به ولتاژ جریان مستقیم (DC) تبدیل کند. این ابزار می‌تواند برای تامین انرژی دستگاه‌های الکترونیکی کوچک بی‌نیاز از باتری استفاده شود.
ساخت ابزاری برای تبدیل سیگنال‌های رادیویی محیط به برق مستقیم
چنین فن‌آوری‌های جمع‌آوری کننده انرژی RF، ضروری هستند زیرا وابستگی به باتری را کاهش داده، طول عمر دستگاه را افزایش می‌دهند، تأثیرات محیطی را به حداقل می‌رسانند، و امکان‌پذیری شبکه‌های حسگر بی‌سیم و دستگاه‌های IoT در مناطق دورافتاده که تعویض مکرر باتری دشوار است را، افزایش می‌دهد.
با این حال، فن‌آوری‌های برداشت انرژی RF به دلیل قدرت سیگنال RF پایین (معمولاً کمتر از ۲۰- دسی‌بل‌متر) با چالش‌هایی روبرو هستند به طوری که در آن فناوری یکسوکننده فعلی یا کار نمی‌کند یا بازده تبدیل RF به DC پایینی را نشان می‌دهد. در حالی که بهبود راندمان آنتن و تطبیق امپدانس می تواند عملکرد را افزایش دهد، این امر همچنین باعث افزایش اندازه تراشه می‌شود و موانعی را برای یکپارچه‌سازی و کوچک‌سازی ایجاد می‌کند.
برای مقابله با این چالش‌ها، تیمی از محققان NUS، با همکاری دانشمندان دانشگاه توهوکو (TU) در ژاپن و دانشگاه مسینا (UNIME) در ایتالیا، فناوری یکسو کننده فشرده و حساسی را توسعه داده‌اند که از یکسو کننده اسپین در مقیاس نانو (SR) استفاده می‌کند. این یکسوکننده برای تبدیل سیگنال‌های فرکانس رادیویی بی‌سیم محیط با توان کمتر از ۲۰- dBm به ولتاژ DC قابل استفاده است.
پروفسور یانگ هیونسو از دپارتمان مهندسی برق و کامپیوتر در کالج طراحی و مهندسی NUS، که رهبری این پروژه را بر عهده داشت، توضیح داد: «برداشت سیگنال‌های الکترومغناطیسی RF محیط برای پیشرفت دستگاه‌ها و حسگرهای الکترونیکی کارآمد بسیار مهم است. با این حال، ماژول‌های جمع‌آوری‌کننده انرژی موجود با چالش‌هایی مواجه هستند که در توان محیطی کم به دلیل محدودیت‌های موجود در فناوری یکسوکننده‌ها کار می‌کنند.»
پروفسور یانگ افزود: «به عنوان مثال، فناوری دیود شاتکی گیگاهرتز به دلیل محدودیت‌های ترمودینامیکی در توان کم اشباع شده است و تلاش‌های اخیر تنها بر روی بهبود کارایی آنتن و شبکه‌های تطبیق امپدانس متمرکز شده است. از سوی دیگر، یکسو کننده‌های اسپین در مقیاس نانو، فناوری فشرده برای تبدیل حساس و کارآمد RF به DC ارائه می‌دهند.»
وی افزود: «ما یکسو کننده‌های اسپین را برای کار در سطوح توان RF پایین موجود در محیط بهینه کردیم و مجموعه‌ای از این یکسو کننده‌های اسپین را در یک ماژول جمع‌آوری انرژی برای تامین انرژی LED و تجاری ادغام کردیم.»
این تحقیق تجربی با همکاری پروفسور شونسوکه فوکامی و تیمش از دانشگاه توهوکو انجام شد، در حالی که شبیه‌سازی توسط پروفسور جیووانی فینوکیو از دانشگاه مسینا انجام شده است. نتایج این کار در ۲۴ جولای ۲۰۲۴ در Nature Electronics منتشر شد.
اکنون تیم تحقیقاتی NUS در حال بررسی ادغام یک آنتن روی تراشه برای بهبود کارایی و فشرده‌سازی فناوری‌های SR است. همچنین هدف محققان همکاری با شرکای صنعتی و دانشگاهی برای پیشرفت سیستم‌های هوشمند خودپایدار مبتنی بر یکسو کننده‌های SR روی تراشه است. این کار می‌تواند راه را برای فناوری‌های فشرده روی تراشه برای شارژ بی سیم و سیستم‌های تشخیص سیگنال هموار کند.
