更小、更高效的射頻變壓器

伊利諾伊州的工程師們正傾向於研究更小，更高效的射頻變壓器，這些變壓器在微晶元上的佔地空間要少10到100倍。圖片來源：Wen Huang

電子設備的未來一定程度上在於"物聯網" -電子設備、汽車和家用電器的網路，以實現連接和數據交換。 伊利諾伊大學的工程師們正在通過減少變壓器的尺寸來幫助實現這一未來，變壓器是用於無線通信的一個眾所周知的集成電路元件。

根據一篇詳細介紹他們在Nature Electronics上發表其設計和性能的論文，三維卷繞式射頻變壓器少佔空間10到100倍，當功率傳輸比增加時，它的性能會更好，製造工藝比二維的更簡單。

「變壓器是任何電路板上最大和最重的元件之一，」電氣和計算機工程教授，首席研究員Xiuling Li說。「當你拿起一個LED燈泡時，會感覺很重，這在一定程度上是因為內部的變壓器太大了，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。」

變壓器使用卷線將輸入信號轉換為特定的輸出信號，以便用於像微晶元這樣的器件。以前的研究人員已經開發了一些使用堆疊導電材料來解決空間問題的射頻變壓器，但是這些材料性能潛力有限。當它們具有高匝數比，這種有限的性能是由於線圈之間的磁耦合效率低，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製造，而且難以製造，體積龐大且不易彎曲 - 這些遠不是物聯網設備的理想選擇。

新的變壓器設計採用了Li的團隊以前開發的製造卷繞式電感器的技術。 「我們正在使用二維處理來製作三維結構，」 Li說。該團隊將精心設計的金屬線沉積在拉伸的2D薄膜上。一旦它們釋放張力，二維薄膜會自動捲成小管，從而允許主要的線圈和二次線圈完美纏繞並嵌套在一個更小的區域內，以獲得最佳的磁感應和耦合。

Li說，嵌套的三維架構可以產生高匝數比的線圈。「高匝數比變壓器可以用作阻抗變壓器，以提高超低功率接收器的靈敏度，這將成為物聯網無線前端的關鍵推動力。」電氣和計算機工程教授兼合著者Songbin Gong說。

卷形變壓器還可以接收和處理比大型設備更高的頻率信號。

「將來使用更高頻率的信號，無線通信會更快，目前這一代射頻變壓器根本無法跟上小型化的要求和未來的高頻運行」，該研究的主要作者、博士後研究員Wen Huang說。「具有更多匝數的小型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。」

新型變壓器具有穩健的製造工藝 - 穩定的超越標準的鑄造溫度並與工業標準材料兼容。這項研究使用了金線，但是該團隊已經成功地演示了使用工業標準銅製造卷形設備。

「下一步將是使用更薄，更具導電性的金屬如石墨烯，從而使這些器件更小，更靈活。這種進步可能使器件能夠被編織進高科技可穿戴設備中。」 Li說。

資料來源：伊利諾伊大學香檳分校提供的材料。 注意：可以根據樣式和長度編輯內容。

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