تعتمد التقنيات اللاسلكية المنتشرة في كل مكان مثل واي فاي Wi-Fi وبلوتوث Bluetooth والجيل الخامس 5G على إشارات التردد اللاسلكي (RF) لإرسال البيانات واستقبالها.

ويمكن الآن لنموذج أولي جديد لوحدة حصاد الطاقة، التي طورها فريق بقيادة علماء من جامعة سنغافورة الوطنية (NUS)، تحويل إشارات الترددات اللاسلكية المحيطة أو النفايات إلى جهد تيار مباشر (DC)، ويمكن استخدام ذلك لتشغيل الأجهزة الإلكترونية الصغيرة دون استخدام البطاريات.

ما هي طاقة الترددات الراديوية؟

تعد تقنيات تجميع طاقة الترددات الراديوية، مثل هذه، ضرورية لأنها تقلل من الاعتماد على البطارية، وتطيل عمر الجهاز، وتقلل من التأثير البيئي، وتعزز جدوى شبكات الاستشعار اللاسلكية وأجهزة إنترنت الأشياء في المناطق النائية حيث يكون استبدال البطارية بشكل متكرر غير عملي.

ومع ذلك، تواجه تقنيات تجميع طاقة التردد اللاسلكي تحديات بسبب انخفاض طاقة إشارة التردد اللاسلكي المحيطة (عادةً أقل من -20 ديسيبل ميلي واط)، حيث تفشل تقنية المقوم الحالية في العمل أو تظهر كفاءة تحويل منخفضة من التردد اللاسلكي إلى التيار المباشر.

وفي حين أن تحسين كفاءة الهوائي ومطابقة المعاوقة يمكن أن يعزز الأداء، فإن هذا يؤدي أيضًا إلى زيادة حجم الرقاقة، مما يمثل عقبات أمام التكامل والتصغير.

ولمواجهة هذه التحديات، قام فريق من الباحثين في جامعة سنغافورة الوطنية، بالتعاون مع علماء من جامعة توهوكو (TU) في اليابان وجامعة ميسينا (UNIME) في إيطاليا، بتطوير تقنية مقوم مدمجة وحساسة تستخدم مقوم الدوران النانوي (SR) لتحويل إشارات التردد اللاسلكي المحيط بطاقة أقل من «-20 ديسيبل ميلي واط» إلى جهد تيار مستمر.

وقام الفريق بتحسين أجهزة «SR» وتصميم تكوينين، الأول: هوائي واحد قائم على «SR» يعمل بين «62 ديسيبل و-20 ديسيبل ميلي واط»، والثاني: مجموعة من «10 SR» متسلسلة تحقق كفاءة بنسبة 7.8% وحساسية انحياز صفر تبلغ حوالي 34,500 بالسيارات / ميغاواط، ومن خلال دمج مصفوفة «SR» في وحدة تجميع الطاقة، نجحوا في تشغيل مستشعر درجة الحرارة التجاري عند «-27 ديسيبل ميلي واط».

ويعد حصاد الإشارات الكهرومغناطيسية للترددات اللاسلكية المحيطة أمرًا بالغ الأهمية لتطوير الأجهزة الإلكترونية وأجهزة الاستشعار الموفرة للطاقة.

وأوضح البروفيسور يانغ هيونسو من قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في كلية التصميم والهندسة بجامعة سنغافورة الوطنية، والذي قاد المشروع، أن وحدات حصاد الطاقة الحالية تواجه تحديات في العمل بطاقة محيطة منخفضة بسبب القيود الموجودة في تكنولوجيا المقومات الحالية.

وأضاف البروفيسور يانغ: «على سبيل المثال، ظلت تكنولوجيا جيجاهيرتز شوتكي ديود مشبعة لعقود من الزمن بسبب القيود الديناميكية الحرارية عند الطاقة المنخفضة، مع تركيز الجهود الأخيرة فقط على تحسين كفاءة الهوائي وشبكات مطابقة المعاوقة، على حساب آثار أقدام أكبر على الرقاقة».

ومن ناحية أخرى، توفر مقومات الدوران النانوية تقنية مدمجة لتحويل الترددات اللاسلكية إلى تيار مستمر بشكل حساس وفعال.

وفي معرض شرحه للتقنية المتقدمة التي حققها الفريق، قال البروفيسور يانغ: «لقد قمنا بتحسين مقومات الدوران لتعمل عند مستويات طاقة الترددات اللاسلكية المنخفضة المتاحة في البيئة المحيطة، وقمنا بدمج مجموعة من مقومات الدوران هذه في وحدة حصاد الطاقة لتشغيل مصابيح LED والمحطات التجارية، ومستشعر عند طاقة RF أقل من -20 ديسيبل مللي واط تظهر نتائجنا أن تقنية SR سهلة التكامل وقابلة للتطوير، مما يسهل تطوير مصفوفات SR واسعة النطاق لمختلف تطبيقات الترددات اللاسلكية والاتصالات منخفضة الطاقة».

وتم إجراء البحث التجريبي بالتعاون مع البروفيسور شونسوكي فوكامي وفريقه من جامعة TU، في حين تم إجراء المحاكاة من قبل البروفيسور جيوفاني فينوكيو من جامعة UNIME، حيث نُشرت النتائج في مجلة «Nature ElectronicsK» في 24 يوليو 2024.

التكنولوجيا القائمة على مقوم الدوران للتشغيل منخفض الطاقة

وصلت المقومات الحديثة (ثنائيات شوتكي وثنائيات النفق وMoS2 ثنائية الأبعاد) إلى كفاءات تتراوح بين 40-70% عند Prf ≥ -10 ديسيبل ميلي واط، ومع ذلك، فإن طاقة التردد اللاسلكي المحيط المتوفرة من مصادر التردد اللاسلكي مثل أجهزة توجيه واي فاي Wi-Fi أقل من «-20 ديسيبل مللي واط»، ويعد تطوير مقومات عالية الكفاءة للأنظمة منخفضة الطاقة (Prf <-20 ديسيبل) أمرًا صعبًا بسبب القيود الديناميكية الحرارية والتأثيرات الطفيلية عالية التردد.

بالإضافة إلى ذلك، تتطلب المقومات الموجودة على الرقاقة هوائيًا خارجيًا ودائرة مطابقة المعاوقة، مما يعيق القياس على الرقاقة، ولذلك، فإن تصميم مقوم لوحدة حصاد الطاقة (EHM) الحساسة لطاقة التردد اللاسلكي المحيط بتصميم مدمج على الرقاقة يظل تحديًا كبيرًا.

ويمكن لمقومات الدوران النانوية تحويل إشارة التردد اللاسلكي إلى جهد تيار مستمر باستخدام تأثير الصمام الثنائي الدوراني، وعلى الرغم من أن التكنولوجيا القائمة على «SR» تجاوزت حساسية صمام ثنائي شوتكي، إلا أن كفاءة الطاقة المنخفضة لا تزال منخفضة (<1٪)، للتغلب على قيود الطاقة المنخفضة، قام فريق البحث بدراسة الخصائص الجوهرية للـ SR، بما في ذلك التباين العمودي، وهندسة الجهاز، والمجال ثنائي القطب من طبقة المستقطب، بالإضافة إلى الاستجابة الديناميكية، التي تعتمد على المقاومة المغناطيسية النفقية ذات المجال الصفري. والتباين المغناطيسي الذي يتم التحكم فيه بالجهد (VCMA)، من خلال الجمع بين هذه المعلمات المحسنة مع مقاومة الهوائي الخارجي المتطابقة مع SR واحد، قام الباحث بتصميم هوائي SR مستقيم ذو طاقة منخفضة للغاية.