日本科学家设计出超高效的直流升压转换器 成本更低还更好用

日本科学家设计出超高效的直流升压转换器 成本更低还更好用 神户大学开发的直流升压转换器大大降低了电磁噪声，能源效率高达 91% 以上，这对于具有高电压倍增比的 MHz 驱动器来说是前所未有的。这一比率也比现有设计高出 1.5 倍以上。资料来源：Mishima Tomokazu从阳光或振动中获取能量的设备，或为医疗设备或氢燃料汽车提供动力的设备，都有一个共同的关键部件。这种所谓的"升压转换器"将低压直流输入转换为高压直流输出。由于它是一个无处不在的关键部件，因此需要使用尽可能少的部件以减少维护和成本，同时以尽可能高的效率运行，而不产生电磁噪声或热量。升压转换器的主要工作原理是在电路的两种状态之间快速切换，一种状态储存能量，另一种状态释放能量。切换速度越快，元件的体积就越小，从而可以缩小整个设备的尺寸。然而，这也会增加电磁噪声和发热，从而降低功率转换器的性能。神户大学电力电子学研究员三岛友和的团队在开发新型直流电源转换电路方面取得了重大进展。他们成功地将高频开关（约为以前的 10 倍）与一种可减少电磁噪声和散热造成的功率损耗的技术（称为"软开关"）结合起来，同时还减少了元件数量，从而降低了成本和复杂性。神户大学的团队展示了一种新的电路设计，该设计采用了"谐振槽"电路，可以在开关期间储存能量，因此损耗要低得多。此外，他们还采用了一种节省元件的设计，将平面元件印刷到电路板上，称为"平面变压器"，这种设计非常紧凑，具有良好的效率和散热性能。资料来源：Mishima Tomokazu"当电路在两种状态之间变化时，开关有一段短暂的时间没有完全闭合，此时开关两端既有电压又有电流。这意味着在这段时间内，开关就像一个电阻器，因此会散热。开关状态变化越频繁，散热量就越大。"Mishima 博士解释说："软开关是一种确保开关转换在零电压下进行的技术，因此可以最大限度地减少热量损失。传统上，这种技术是通过缓冲器来实现的，缓冲器是一种在过渡期间提供替代能源的元件，因此会导致能量损失。"神户大学团队在《电气和电子工程师学会电力电子学期刊》（IEEE Transactions on Power Electronics）上介绍了他们的新电路设计及其评估结果。他们取得这一成就的关键在于使用了"谐振槽"电路，这种电路可以在开关期间储存能量，因此损耗要低得多。此外，他们还采用了一种节省元件的设计，将扁平元件印刷到电路板上，称为"平面变压器"，这种变压器非常紧凑，具有良好的效率和散热性能。Mishima 和他的同事还制作了电路原型，并对其性能进行了测量："我们的无缓冲器设计大大降低了电磁噪声，能量效率高达 91.3%，这对于具有高电压转换率的 MHz 驱动器来说是前所未有的。这一比率也比现有设计高出 1.5 倍以上。"不过，他们希望通过降低所用磁性元件的功率耗散来进一步提高效率。考虑到电气设备在我们的社会中无处不在，具有高电压倍增比的直流电源的高效率和低噪声运行极为重要。神户大学的这项研发成果对电力、可再生能源、交通、信息和电信以及医疗保健等领域的应用具有重大意义。三岛介绍了他们的未来计划，他说："目前开发的是 100 瓦级的小容量原型，但我们的目标是通过改进电子电路板和其他元件，在未来将功率容量扩大到更大的千瓦级容量。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

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科学家开发出突破性微型光纤激光器 更锐利、更小巧、更智能

科学家开发出突破性微型光纤激光器 更锐利、更小巧、更智能 基于氮化硅光子集成电路的全封装混合集成铒激光器的光学图像，可提供光纤激光器相干性和以前无法实现的频率可调谐性。资料来源：Andrea Bancora 和 Yang Liu（洛桑联邦理工学院）光纤激光器使用掺杂稀土元素（铒、镱、钕等）的光纤作为光增益源（产生激光的部分）。光纤激光器能发出高质量的光束，输出功率高，效率高，维护成本低，经久耐用，而且体积通常比气体激光器小。光纤激光器也是低相位噪声的"黄金标准"，这意味着它们的光束可以长期保持稳定。尽管如此，人们对芯片级光纤激光器微型化的需求仍在不断增长。基于铒的光纤激光器尤其令人感兴趣，因为它们符合保持激光器高相干性和稳定性的所有要求。但是，要实现光纤激光器的微型化，就必须在小尺度上保持其性能。现在，EPFL的刘洋博士和 Tobias Kippenberg 教授领导的科学家们制造出了首台芯片集成的掺铒波导激光器，其性能接近光纤激光器，将宽波长可调谐性与芯片级光子集成的实用性相结合。这一突破发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）上。制造芯片级激光器研究人员采用最先进的制造工艺开发出了芯片级铒激光器。他们首先在超低损耗氮化硅光子集成电路的基础上构建了一个一米长的片上光腔（一组提供光反馈的反射镜）。刘博士说："尽管芯片尺寸小巧，但我们却能将激光腔设计成米级长度，这要归功于这些微oring谐振器的集成，它们能在不增大设备物理尺寸的情况下有效延长光路。"然后，研究小组在电路中植入高浓度铒离子，选择性地产生激光所需的有源增益介质。最后，他们将电路与 III-V 族半导体泵浦激光器集成，以激发铒离子，使其发光并产生激光束。基于掺铒光子集成电路的混合集成激光器的光学图像，该激光器具有光纤激光相干性和以前无法实现的频率可调谐性。资料来源：Yang Liu（洛桑联邦理工学院）为了完善激光器的性能并实现精确的波长控制，研究人员设计了一种创新的腔内设计，其特点是基于微孔的 Vernier 过滤器，这是一种可以选择特定光频的光学过滤器。滤波器可在很大范围内对激光波长进行动态调整，从而使其在各种应用中都能发挥作用。这种设计支持稳定的单模激光，其内在线宽仅为 50 Hz，非常窄，令人印象深刻。它还具有显著的边模抑制功能激光器能够以单一、稳定的频率发光，同时将其他频率（"边模"）的强度降至最低。这确保了高精度应用在整个光谱范围内的"干净"和稳定输出。这种芯片级铒光纤激光器的输出功率超过 10 mW，边模抑制比超过 70 dB，性能优于许多传统系统。它还具有非常窄的线宽，这意味着它发出的光非常纯净和稳定，这对于传感、陀螺仪、激光雷达和光学频率计量等相干应用非常重要。基于微光的 Vernier 滤波器使激光器在 C 波段和 L 波段（用于电信的波长范围）内具有 40 nm 的宽波长可调谐性，在调谐和低光谱尖刺指标（"尖刺"是不需要的频率）方面都超越了传统光纤激光器，同时与当前的半导体制造工艺保持兼容。将铒光纤激光器微型化并集成到芯片级设备中可降低其总体成本，使其可用于电信、医疗诊断和消费电子等领域的便携式高度集成系统。它还可以缩小光学技术在其他各种应用中的规模，如激光雷达、微波光子学、光频合成和自由空间通信。"这种新型掺铒集成激光器的应用领域几乎是无限的，"Liu 说。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

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日本科学家开发出高效的256元无线供电收发器阵列

日本科学家开发出高效的256元无线供电收发器阵列 东京理工大学的科学家们为非视距 5G 通信设计了一种创新的 256 元无线供电收发器阵列。这种新颖的设计具有高效的无线电力传输和高功率转换效率，即使在链路阻塞的区域也能增强 5G 网络的覆盖范围。灵活性和覆盖范围的增强有可能使高速、低延迟通信更加普及。毫米波 5G 通信使用极高频无线电信号（24 至 100 GHz），是下一代无线通信的一项前景广阔的技术，具有高速度、低延迟和大网络容量的特点。然而，当前的 5G 网络面临两大挑战。首先是低信噪比（SNR）。高信噪比是实现良好通信的关键。另一个挑战是链路阻塞，即由于建筑物等障碍物导致发射器和接收器之间的信号中断。拟议的收发器设计可实现高功率转换效率和转换增益，即使在链路阻塞的地区也能增强 5G 网络的覆盖范围。来源：2024 年 IEEE MTT-S 国际微波研讨会波束成形是使用毫米波进行长距离通信的一项关键技术，可提高信噪比。这种技术利用传感器阵列将无线电信号聚焦成特定方向的窄波束，类似于将手电筒光束聚焦在一个点上。然而，它仅限于视距通信，即发射器和接收器必须在一条直线上，而且接收到的信号会因障碍物而变差。此外，混凝土和现代玻璃材料也会造成较高的传播损耗。因此，迫切需要一种非视距（NLoS）中继系统来扩大 5G 网络的覆盖范围，尤其是在室内。为了解决这些问题，东京工业大学（Tokyo Institute of Technology，简称"东京工业"）未来科学技术跨学科研究实验室的白根敦（Atsushi Shirane）副教授领导的研究团队设计了一种新型无线供电中继收发器，用于 28 GHz 毫米波 5G 通信（如图 1 所示）。他们的研究成果发表在《2024 年 IEEE MTT-S 国际微波研讨会论文集》上。电路板包括砷化镓二极管、平衡集成电路、DPDT 开关集成电路和数字集成电路。该电路从 24GHz WPT 信号产生直流，同时将 28GHz 射频信号下变频为 4GHz 中频信号。资料来源：2024 年 IEEE MTT-S 国际微波研讨会Shirane在解释他们的研究动机时说："此前，针对NLoS通信，人们探索了两种类型的5G中继：有源类型和无线供电类型。虽然有源中继器即使在整流器阵列较少的情况下也能保持良好的信噪比，但其功耗较高。无线供电型不需要专用电源，但由于转换增益低，需要许多整流器阵列来维持信噪比，而且使用的 CMOS 二极管的功率转换效率低于 10%。我们的设计解决了这些问题，同时还使用了市场上可买到的半导体集成电路 (IC)"。拟议的收发器由 256 个整流器阵列组成，具有 24 GHz 无线功率传输 (WPT)。这些阵列由分立集成电路（包括砷化镓二极管）、平衡器（连接平衡和不平衡（bal-un）信号线）、DPDT 开关和数字集成电路组成（参见图 2）。值得注意的是，收发器能够同时进行数据和功率传输，将 24 GHz WPT 信号转换为直流电（DC），同时促进 28 GHz 双向传输和接收。24 GHz 信号在每个整流器上单独接收，而 28 GHz 信号则利用波束成形技术进行传输和接收。两个信号可以从相同或不同的方向接收，28 千兆赫信号既可以通过 24 千兆赫先导信号的逆反射传输，也可以从任何方向传输。测试表明，与传统收发器相比，拟议的收发器可实现 54% 的功率转换效率和 -19 分贝的转换增益，同时还能保持长距离信噪比。此外，它还可实现约 56 毫瓦的发电量，并可通过增加阵列数量进一步提高发电量。这还可以提高发射和接收波束的分辨率。Shirane谈到他们的设备的好处时说："即使在链路受阻的地方，拟议的收发器也能为毫米波5G网络的部署做出贡献，提高安装灵活性并扩大覆盖范围。"这种新型收发器将使 5G 网络更加普及，让所有人都能享受高速、低延迟的通信。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：