Un nuevo prototipo de un módulo de recolección de energía, desarrollado por un equipo liderado por científicos de la Universidad Nacional de Singapur (NUS), puede convertir señales de radiofrecuencia (RF) ambientales o «residuales» en voltaje de corriente continua (CC). Esto permite alimentar pequeños dispositivos electrónicos sin necesidad de baterías.
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Las tecnologías de recolección de energía RF, como esta, son esenciales porque reducen la dependencia de las baterías, extienden la vida útil de los dispositivos, minimizan el impacto ambiental y mejoran la viabilidad de las redes de sensores inalámbricos y dispositivos IdC en áreas remotas donde la sustitución frecuente de baterías es impráctica.
Sin embargo, las tecnologías de recolección de energía RF enfrentan desafíos debido a la baja potencia de las señales RF ambientales (generalmente menos de -20 dBm), donde la tecnología de rectificadores actual no funciona o muestra una baja eficiencia de conversión de RF a CC. Aunque mejorar la eficiencia de las antenas y el emparejamiento de impedancia puede aumentar el rendimiento, esto también incrementa el tamaño del chip, presentando obstáculos para la integración y miniaturización.
Para abordar estos desafíos, un equipo de investigadores de la NUS, en colaboración con científicos de la Universidad de Tohoku (TU) en Japón y la Universidad de Messina (UNIME) en Italia, ha desarrollado una tecnología de rectificadores compacta y sensible que utiliza rectificadores de espín a nanoescala (SR) para convertir señales de radiofrecuencia inalámbricas ambientales con una potencia menor a -20 dBm en voltaje de CC.
El equipo optimizó los dispositivos SR y diseñó dos configuraciones: 1) una rectena basada en SR individual operativa entre -62 dBm y -20 dBm, y 2) una matriz de 10 SR en serie logrando una eficiencia del 7.8 % y una sensibilidad sin polarización de aproximadamente 34.500 mV/mW. Al integrar la matriz de SR en un módulo de recolección de energía, lograron alimentar un sensor de temperatura comercial y un LED a -27 dBm.
Las tecnologías inalámbricas ubicuas como Wi-Fi, Bluetooth y 5G dependen de señales de radiofrecuencia (RF) para enviar y recibir datos. Crédito: MysteryPlanet.com.ar.
«La recolección de señales electromagnéticas RF ambientales es crucial para el avance de dispositivos electrónicos y sensores energéticamente eficientes. No obstante, los módulos de recolección de energía existentes enfrentan desafíos operando a baja potencia ambiental debido a limitaciones en la tecnología de rectificadores actual», explicó el profesor Yang Hyunsoo del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del Colegio de Diseño e Ingeniería de la NUS, quien encabezó el proyecto.
«Por ejemplo, la tecnología de diodos Schottky de gigahercios ha permanecido estancada durante décadas debido a restricciones termodinámicas a baja potencia, con esfuerzos recientes enfocados únicamente en mejorar la eficiencia de las antenas y las redes de emparejamiento de impedancia, a costa de un mayor tamaño del chip. Los rectificadores de espín a nanoescala, por otro lado, ofrecen una tecnología compacta para la conversión sensible y eficiente de RF a CC», añadió.
«Nuestros resultados —publicados en Nature Electronics— demuestran que la tecnología SR es fácil de integrar y escalable, facilitando el desarrollo de matrices SR a gran escala para diversas aplicaciones de RF y comunicación de baja potencia», concluyó.
Próximos pasos
El equipo de investigación de la NUS está explorando ahora la integración de una antena en chip para mejorar la eficiencia y compactibilidad de las tecnologías SR. El equipo también está desarrollando conexiones en serie-paralelo para ajustar la impedancia en grandes matrices de SR, utilizando interconexiones en chip para conectar SR individuales. Este enfoque tiene como objetivo mejorar la recolección de energía RF, generando potencialmente un voltaje rectificado significativo de unos pocos voltios, eliminando así la necesidad de un potenciador de CC a CC.
Los investigadores también buscarán colaborar con socios industriales y académicos para el avance de sistemas inteligentes autosuficientes basados en rectificadores SR en chip. Esto podría allanar el camino para tecnologías compactas en chip para sistemas de carga inalámbrica y detección de señales.
Fuente: NUS. Edición: MP.