工程师们正努力研制更小、更高效的射频变压器

2020-01-14 16:27:09

电子设备的未来在一定程度上取决于“物联网”。物联网是指嵌入电子设备中的设备、车辆和设备网络,以实现连接和数据交换。伊利诺伊大学的工程师们正在帮助实现这一未来,他们将用于无线通信的集成电路中一个出了名的大元件——变压器的体积最小化。

根据发表在《自然电子》杂志上的一篇详细介绍了其设计和性能的论文,三维卷起的射频变压器占用的空间少了10到100倍,当功率传输比增加时性能更好,而且比二维的同类产品制造过程更简单。

“变压器是任何电路板上最大和最重的元件之一,”首席研究员、电子和计算机工程教授李秀玲说。“当你拿起一个LED灯泡时,它的体积让你感觉很重,部分原因是里面的变压器体积太大。这些变压器的尺寸可能成为未来无线通信和物联网需要克服的一个关键障碍。”

变压器使用线圈将输入信号转换成特定的输出信号,用于微芯片等设备。以前的研究人员已经开发了一些使用堆叠导电材料解决空间问题的射频变压器,但这些都有有限的性能潜力。这种有限的性能是由于线圈之间的磁耦合效率低,当他们有一个高的匝比,这意味着初级线圈比次级线圈长得多,反之亦然,李说。这些堆叠式变压器需要使用特殊材料制造,而且制造难度大、体积大、不易弯曲——这些都不是物联网设备的理想材料。

新的变压器设计使用的技术,李的小组以前开发的轧制电感器。“我们正在用2d技术制作3d结构,”李说。研究小组将精心制作的金属丝沉积在拉伸的二维薄膜上。一旦它们释放了张力,二维薄膜就会自动卷成微小的管状,使得初级和次级导线能够完美地缠绕和嵌套在一起,形成一个更小的区域,以实现最佳的磁感应和耦合。

李说,嵌套的3d结构导致高匝比线圈。“高匝比变压器可以用作阻抗变压器,以提高极低功率接收器的灵敏度,这有望成为物联网无线前端的关键因素,”电气和计算机工程教授、论文合著者龚松斌说。

轧制变压器也可以接收和处理比大型设备更高的频率信号。

“未来的无线通信将会更快,使用更高频率的信号。目前生产的射频变压器已经不能满足未来对小型化和高频操作的要求。“体积更小、匝数更多的变压器可以更好地接收更快、更高频率的无线信号,并在物联网应用中实现高水平集成。”

新的变压器有一个强大的制造过程-稳定超过标准的铸造温度和兼容工业标准的材料。这项研究使用了金线,但该团队已经成功地演示了他们的轧制设备使用工业标准的铜。

“下一步将是使用更薄、更导电的金属,如石墨烯,让这些设备变得更小、更灵活。”这项技术的进步可能会使这种设备被编织进高科技可穿戴设备的织物中成为可能。”


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