工程師們朝著更小 更高效的射頻變壓器邁進

電子設備的未來部分在于“物聯網 - 嵌入電子設備的設備，車輛和電器網絡，以實現連接和數據交換。伊利諾伊大學的工程師通過最大限度地減少一個眾所周知的大元素的大小來幫助實現這一未來用于無線通信的集成電路 - 變壓器。

三維卷起的射頻變壓器占用的空間減少了10到100倍，當功率傳輸比增加時性能更好，并且制造工藝比二維祖先更簡單，根據一篇詳細描述其設計和性能的論文自然電子學。

“變壓器是任何電路板上最大和最重的元件之一，”首席研究員李秀玲說，他是電氣和計算機工程教授。“當你拿起一個LED燈泡時，它的尺寸感覺很重，部分原因在于內部變壓器龐大。這些變壓器的尺寸可能成為未來無線通信和物聯網的主要障礙。”

變壓器使用盤繞線將輸入信號轉換為特定輸出信號，以用于微芯片等設備。以前的研究人員已經開發(fā)出一些使用堆疊導電材料來解決空間問題的射頻變壓器，但這些變壓器的性能潛力有限。這種有限的性能是由于當線圈具有高匝數比時線圈之間的低效磁耦合，這意味著初級線圈比次級線圈長得多，反之亦然，Li說。這些堆疊式變壓器需要使用特殊材料制造，并且難以制造，笨重且不易彎曲的東西，這些東西遠非理想的物聯網設備。

新的變壓器設計使用了Li先前為制造軋制電感器而開發(fā)的技術。“我們正在使用二維加工制作三維結構，”李說。該團隊將精心設計的金屬線沉積在拉伸的2-D薄膜上。一旦它們釋放張力，2-D薄膜就會自動卷入微小的管子中，使初級和次級導線能夠完全盤繞并完美地嵌套在一個更小的區(qū)域內，以實現最佳的磁感應和耦合。

Li說，嵌套的3-D架構可以產生高匝數比的線圈。“高匝數比變壓器可用作阻抗變壓器，以提高極低功率接收器的靈敏度，預計這將成為物聯網無線前端的關鍵推動因素，”電氣和計算機工程教授兼合著者Songbin Gong說。 。

與較大的設備相比，滾動變壓器還可以接收和處理更高頻率的信號。

“無線通信將更快，并在未來使用更高頻率的信號。當前一代的射頻變壓器根本無法滿足未來的小型化要求和高頻操作，”主要作者和博士后研究員黃文說。“具有更多匝數的更小的變壓器可以更好地接收更快，更高頻率的無線信號，以及物聯網應用中的高級集成。”

新型變壓器具有強大的制造工藝 - 超出標準鑄造溫度，并且符合行業(yè)標準材料。這項研究使用了金線，但該團隊成功地展示了使用工業(yè)標準銅制造其軋制設備。

“下一步將是使用更薄和更導電的金屬，如石墨烯，使這些設備制造得更小，更靈活。這一進步可能使這些設備可以編織成高科技可穿戴設備的織物，“李說。