Ingeniører på vej mod mindre, mere effektive radiofrekvenstransformere

Fremtiden for elektroniske enheder ligger delvist inden for "tingenes internet - netværket af enheder, køretøjer og apparater indlejret i elektronik for at muliggøre forbindelse og dataudveksling. Ingeniører fra University of Illinois hjælper med at realisere denne fremtid ved at minimere størrelsen af ​​et notorisk stort element af integrerede kredsløb, der bruges til trådløs kommunikation - transformatoren.

Tredimensionelle oprullede radiofrekvenstransformere tager 10 til 100 gange mindre plads, yder bedre, når kraftoverførselsforholdet øges og har en enklere fremstillingsproces end deres 2-D-forfædre, ifølge et papir, der beskriver deres design og ydeevne i journalen Naturelektronik .

"Transformere er et af de største og tungeste elementer på ethvert printkort, " sagde hovedefterforsker Xiuling Li, professor i elektro- og computerteknik. "Når du tager en LED-pære op, den føles tung for sin størrelse, og det er til dels på grund af den omfangsrige transformer indeni. Størrelsen af ​​disse transformatorer kan blive en vigtig hindring at overvinde i fremtiden for trådløs kommunikation og IoT."

Transformere bruger spoleled til at konvertere inputsignaler til specifikke udgangssignaler til brug i enheder som mikrochips. Tidligere forskere har udviklet nogle radiofrekvenstransformere ved hjælp af et stablet ledende materiale til at løse pladsproblemet, men disse har begrænset ydeevnepotentiale. Denne begrænsede ydeevne skyldes ineffektiv magnetisk kobling mellem spoler, når de har et højt vindingsforhold, hvilket betyder, at den primære spole er meget længere end den sekundære spole, eller omvendt, sagde Li. Disse stablede transformere skal fremstilles ved hjælp af specielle materialer og er svære at fremstille, omfangsrige og ubøjelige – ting, der langt fra er ideelle til internet of things-enheder.

Det nye transformerdesign bruger teknikker, som Lis gruppe tidligere har udviklet til fremstilling af rullede induktorer. "Vi laver 3-D-strukturer ved hjælp af 2-D-behandling, " sagde Li. Holdet afsætter omhyggeligt mønstrede metaltråde på strakte 2-D tynde film. Når de slipper spændingen, 2-D-filmene ruller selv til små rør, tillader de primære og sekundære ledninger at spole og placere perfekt inde i hinanden til et meget mindre område for optimal magnetisk induktion og kobling.

Den indlejrede 3-D-arkitektur fører til spoler med højt vindingsforhold, sagde Li. "En transformer med højt omdrejningsforhold kan bruges som en impedanstransformator for at forbedre følsomheden af ​​modtagere med ekstremt lav effekt, som forventes at være en nøgleaktiverer for IoT trådløse frontends, " sagde professor i elektrisk og computeringeniør og medforfatter Songbin Gong.

Valsede transformere kan også modtage og behandle højere frekvenssignaler end de større enheder.

"Trådløs kommunikation vil være hurtigere og bruge højfrekvente signaler i fremtiden. Den nuværende generation af radiofrekvenstransformatorer kan simpelthen ikke følge med fremtidens miniaturiseringskrav og højfrekvent drift, " sagde hovedforfatter og postdoc-forsker Wen Huang. "Mindre transformatorer med flere drejninger giver mulighed for bedre modtagelse af hurtigere, højfrekvente trådløse signaler, samt integration på højt niveau i IoT-applikationer."

De nye transformere har en robust fremstillingsproces – stabil ud over standard støberitemperaturer og kompatible med industristandardmaterialer. Denne undersøgelse brugte guldtråd, men holdet har med succes demonstreret fremstillingen af ​​deres rullede enheder ved hjælp af industristandard kobber.

"Det næste skridt vil være at bruge tyndere og mere ledende metal såsom grafen, gør det muligt at gøre disse enheder endnu mindre og mere fleksible. Denne fremgang kan gøre det muligt for enhederne at blive vævet ind i stofferne af højteknologiske wearables, " sagde Li.