工程師們朝著更小 更高效的射頻變壓器邁進(jìn)

電子設(shè)備的未來(lái)部分在于“物聯(lián)網(wǎng) - 嵌入電子設(shè)備的設(shè)備，車輛和電器網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)連接和數(shù)據(jù)交換。伊利諾伊大學(xué)的工程師通過(guò)最大限度地減少一個(gè)眾所周知的大元素的大小來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)這一未來(lái)用于無(wú)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(dāng)功率傳輸比增加時(shí)性能更好，并且制造工藝比二維祖先更簡(jiǎn)單，根據(jù)一篇詳細(xì)描述其設(shè)計(jì)和性能的論文自然電子學(xué)。

“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(shuō)，他是電氣和計(jì)算機(jī)工程教授。“當(dāng)你拿起一個(gè)LED燈泡時(shí)，它的尺寸感覺(jué)很重，部分原因在于內(nèi)部變壓器龐大。這些變壓器的尺寸可能成為未來(lái)無(wú)線通信和物聯(lián)網(wǎng)的主要障礙。”

變壓器使用盤繞線將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為特定輸出信號(hào)，以用于微芯片等設(shè)備。以前的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一些使用堆疊導(dǎo)電材料來(lái)解決空間問(wèn)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(dāng)線圈具有高匝數(shù)比時(shí)線圈之間的低效磁耦合，這意味著初級(jí)線圈比次級(jí)線圈長(zhǎng)得多，反之亦然，Li說(shuō)。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(yuǎn)非理想的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

新的變壓器設(shè)計(jì)使用了Li先前為制造軋制電感器而開發(fā)的技術(shù)。“我們正在使用二維加工制作三維結(jié)構(gòu)，”李說(shuō)。該團(tuán)隊(duì)將精心設(shè)計(jì)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(huì)自動(dòng)卷入微小的管子中，使初級(jí)和次級(jí)導(dǎo)線能夠完全盤繞并完美地嵌套在一個(gè)更小的區(qū)域內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)最佳的磁感應(yīng)和耦合。

Li說(shuō)，嵌套的3-D架構(gòu)可以產(chǎn)生高匝數(shù)比的線圈。“高匝數(shù)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(yù)計(jì)這將成為物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線前端的關(guān)鍵推動(dòng)因素，”電氣和計(jì)算機(jī)工程教授兼合著者Songbin Gong說(shuō)。 。

與較大的設(shè)備相比，滾動(dòng)變壓器還可以接收和處理更高頻率的信號(hào)。

“無(wú)線通信將更快，并在未來(lái)使用更高頻率的信號(hào)。當(dāng)前一代的射頻變壓器根本無(wú)法滿足未來(lái)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(shuō)。“具有更多匝數(shù)的更小的變壓器可以更好地接收更快，更高頻率的無(wú)線信號(hào)，以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的高級(jí)集成。”

新型變壓器具有強(qiáng)大的制造工藝 - 超出標(biāo)準(zhǔn)鑄造溫度，并且符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)材料。這項(xiàng)研究使用了金線，但該團(tuán)隊(duì)成功地展示了使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)銅制造其軋制設(shè)備。

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