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：

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：

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号

光子学技术新突破：科学家用微型芯片产生高质量微波信号 盖塔实验室开发的光子集成芯片的高级示意图，该芯片用于全光学光分频（OFD）一种将高频信号转换为低频信号的方法。图片来源：Yun Zhao/哥伦比亚工程学院这种芯片非常小巧，可以装在锋利的铅笔尖上，是迄今为止在集成光子平台上观察到的最低微波噪声。这项成果为高速通信、原子钟和自动驾驶汽车等应用提供了一条通往小尺寸超低噪声微波发生器的光明之路。用于全球导航、无线通信、雷达和精密计时的电子设备需要稳定的微波源作为时钟和信息载体。要提高这些设备的性能，关键在于减少微波中存在的噪声或相位随机波动。"在过去的十年中，一种被称为光分频的技术产生了迄今为止噪音最低的微波信号，"哥伦比亚工程学院应用物理和材料科学大卫-M-里基教授兼电气工程教授亚历山大-盖塔说。"通常情况下，这样的系统需要多个激光器和相对较大的体积来容纳所有元件。"光分频一种将高频信号转换为低频信号的方法是最近产生微波的创新技术，其中的噪声已被大大抑制。然而，由于光分频系统占用桌面空间较大，因此无法用于微型传感和通信应用，而这些应用需要更紧凑的微波源，因此光分频系统已被广泛采用。盖塔说："我们已经实现了一种设备，只需使用单个激光器，就能在面积小至 1 平方毫米的芯片上完全实现光分频。我们首次展示了无需电子设备的光学分频过程，大大简化了设备设计。"量子和非线性光子学：创新的核心盖塔的研究小组专门研究量子和非线性光子学，即激光如何与物质相互作用。研究的重点领域包括非线性纳米光子学、频率梳生成、强超快脉冲相互作用以及光量子态的生成和处理。在目前的研究中，他的研究小组设计并制造了一种片上全光学器件，该器件能产生 16 GHz 的微波信号，其频率噪声是迄今在集成芯片平台上实现的最低频率噪声。该设备使用两个由氮化硅制成的微谐振器，通过光子耦合在一起。单频激光器泵浦两个微谐振器。其中一个用于产生光参量振荡器，将输入波转换成两个输出波一个频率较高，一个频率较低。两个新频率的频率间隔被调整为太赫兹频率。由于振荡器的量子相关性，这种频率差异的噪声可比输入激光波的噪声小数千倍。第二个微谐振器经调整后可产生具有微波间隔的光频梳。然后，振荡器发出的少量光被耦合到梳状频率发生器，从而使微波梳状频率与太赫兹振荡器同步，自动实现光分频。潜在影响和未来应用盖塔研究小组的工作代表了一种在小型、坚固和高度便携的封装内进行光学分频的简单而有效的方法。这些研究成果为芯片级设备打开了大门，这些设备能够产生稳定、纯净的微波信号，可与进行精密测量的实验室产生的信号相媲美。他说："最终，这种全光分频将带来未来电信设备的新设计。它还能提高用于自动驾驶汽车的微波雷达的精度。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国成功研发首款商用可重构5G射频收发芯片

中国成功研发首款商用可重构5G射频收发芯片 中国移动成功研发首款商用可重构的5G射频收发芯片。 据微信公众号“中国移动研究院”消息，中国移动研究院星期三（8月30日）在第四届科技周暨战略性新兴产业共创发展大会上，发布“破风8676”可重构5G射频收发芯片。 “破风8676”研发负责人、中国移动研究院无线与终端技术研究所副所长李男介绍，射频收发芯片是无线电波和数字信号之间的翻译官，就像人体的五官，把声光转换成大脑的神经信号，是5G网络设备中的关键器件，被称为5G基站上的“明珠”。 中国移动首席专家胡臻平说，在芯片研发过程中，中国移动充分发挥运营商的龙头研发牵引作用和网络技术积累优势，与设备商和芯片设计公司携手，通过网络和设备需求前置，将传统的芯片设计、整机集成、网络应用的串行研发升级为并行模式，从芯片到整机适配的时间缩短近一半。 消息称，“破风8676”芯片是中国首款基于可重构架构设计，可广泛商业应用于5G云基站、皮基站、家庭基站等5G网络核心设备中的关键芯片，能有效提升中国5G网络核心设备的自主可控度。 “破风8676”芯片目前已在多家头部合作伙伴的整机设备中成功集成，将在以云基站、皮基站、家庭站等网络设备为代表的下阶段5G低成本、高可控度的商用网络建设中发挥重要作用。

意大利科学家利用金属钌开发出高效生产绿色氢气的新系统

意大利科学家利用金属钌开发出高效生产绿色氢气的新系统 IIT和BeDimensional的研究人员使用钌的纳米颗粒作为电解槽阴极的活性相，从而提高了整个电解槽的效率。资料来源：IIT-意大利技术研究所这项技术是在联合实验室的活动范围内开发的，最近发表在两份高影响因子期刊（《自然通讯》和 《美国化学学会杂志》）上，其基础是新的电催化剂系列，可以降低工业规模绿色制氢的成本。氢被认为是一种可持续的能源载体，是化石燃料的替代品。但就对环境的影响而言，并非所有的氢都是一样的。事实上，目前生产氢气的主要方法是甲烷蒸汽转化，这是一种以化石燃料为基础的工艺，会释放出二氧化碳（CO2）作为副产品。这种工艺产生的氢分为"灰色"（二氧化碳被释放到大气中）和"蓝色"（二氧化碳被捕获并地质封存）两种。要想在 2050 年之前将排放量大幅降至零，就必须用更具环境可持续性的工艺来取代这些工艺，以提供"绿色"（即净零排放）氢气。"绿色"氢气的成本主要取决于将水分子分离成氢气和氧气的装置（电解槽）的能效。这一发现的联合小组的研究人员开发了一种新方法，在将电能（分裂水分子时利用的能量偏差）转化为产生的氢分子中储存的化学能方面，这种方法比目前已知的方法保证了更高的效率。研究小组提出了催化剂的概念，并使用了可再生能源，如太阳能电池板产生的电能。热那亚意大利技术研究所（IIT）和 BeDimensional S.p.A.（IIT 的衍生公司）组成的联合团队确定了新的解决方案。照片中Liberato Manna（IIT）、Francesco Bonaccorso（BeDimensional）、左勇（IIT）、Sebastiano Bellani（BeDimensional）、Marilena Zappia（BeDimensional）、Michele Ferri（IIT）。资料来源：IIT-意大利技术研究所"我们的研究表明，尽管初始投资略高于标准电解槽所需的投资，但仍有可能最大限度地提高成熟技术的效率。这是因为我们使用了钌这种贵金属"，热那亚国际理工学院纳米化学小组的左勇和 Michele Ferri 评论道。研究人员使用了钌纳米粒子，这种贵金属的化学性质与铂相似，但价格便宜得多。钌纳米粒子可作为电解槽阴极的活性相，从而提高整个电解槽的效率。"我们在工业重要条件下进行了电化学分析和测试，从而评估了我们材料的催化活性。此外，理论模拟使我们能够在分子水平上理解钌纳米粒子的催化行为；换句话说，理解其表面水分裂的机理，"来自 BeDimensional 的 Sebastiano Bellani 和 Marilena Zappia 解释说，他们参与了这一发现。"结合实验数据和其他工艺参数，我们进行了技术经济分析，结果表明，与最先进的电解槽相比，这项技术具有竞争力。"钌是一种贵金属，作为铂金提取的副产品，其产量很小（每年 30 吨，而铂金的年产量为 200 吨），但成本较低（每克 18.5 美元，而铂金的成本为 30 美元）。新技术每千瓦只需使用 40 毫克钌，这与质子交换膜电解器大量使用铂（每千瓦高达 1 克）和铱（每千瓦 1 至 2.5 克，铱的价格约为每克 150 美元）形成鲜明对比。通过使用钌，印度理工学院和 BeDimensional 公司的研究人员提高了碱性电解器的效率，这种技术因其坚固耐用而被使用了几十年。例如，1969 年将人类送上月球的阿波罗 11 号太空舱就采用了这种技术。新开发的用于碱性电解槽的钌基阴极系列非常高效，运行寿命长，因此能够降低绿色氢气的生产成本。研究人员总结说："未来，我们计划将这种技术和其他技术（如基于可持续二维材料的纳米结构催化剂）应用于以可再生能源（包括光伏电池板产生的电力）为动力的升级电解器中。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家开发出可永久运行的新型泥土动力燃料电池

科学家开发出可永久运行的新型泥土动力燃料电池 美国西北大学的研究人员推出了一种由土壤微生物驱动的燃料电池，其性能大大优于同类技术，并为低能耗设备提供了一种可持续的供电解决方案。燃料电池的 3D 打印帽露出地面。盖子可以防止碎屑进入设备，同时保证空气流通。图片来源：Bill Yen/西北大学为了测试这种新型燃料电池，研究人员用它为测量土壤湿度和探测触摸的传感器供电，这种能力对于追踪路过的动物非常有价值。为了实现无线通信，研究人员还为土壤供电传感器配备了一个微型天线，通过反射现有的无线电频率信号将数据传输到邻近的基站。这种燃料电池不仅能在潮湿和干燥的条件下工作，而且其功率比同类技术高出 120%。这项研究成果将于今天（1月12日）发表在《交互、移动、可穿戴和泛在技术计算机械协会论文集》（Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies）上。研究报告的作者还将向公众发布所有设计、教程和模拟工具，以便其他人可以使用并在此基础上开展研究。"物联网（IoT）中的设备数量在不断增长，"领导这项工作的西北大学校友比尔-颜（Bill Yen）说。"如果我们想象未来会有数万亿台这样的设备，我们就不可能用锂、重金属和对环境有害的毒素来制造每一台设备。我们需要找到能够提供低能量的替代品，为分散的设备网络供电。在寻找解决方案的过程中，我们将目光投向了土壤微生物燃料电池，它利用特殊微生物分解土壤，并利用低能量为传感器供电。只要土壤中有供微生物分解的有机碳，燃料电池就有可能永远持续下去"。该研究的主要作者比尔-颜（Bill Yen）在西北大学实验室测试时埋入燃料电池。资料来源：美国西北大学西北大学的 George Wells 是这项研究的资深作者，他说："这些微生物无处不在，它们已经生活在各处的土壤中。我们可以使用非常简单的工程系统来捕捉它们的电力。我们不会用这种能量为整个城市供电。但我们可以捕获微量的能量，为实用的低功率应用提供燃料。"威尔斯是西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程系副教授。Yen 现在是斯坦福大学的博士生，当他还是 Wells 实验室的一名本科生研究员时，就开始了这个项目。近年来，全球越来越多的农民采用精准农业作为提高作物产量的策略。这种技术驱动的方法依靠精确测量土壤中的水分、养分和污染物含量，从而做出提高作物健康水平的决策。这需要一个广泛、分散的电子设备网络来持续收集环境数据。Yen说："如果你想在野外、农场或湿地安装传感器，你只能在传感器上安装电池或收集太阳能。太阳能电池板在肮脏的环境中无法正常工作，因为它们会被灰尘覆盖，在太阳不出来的时候无法工作，而且会占用很大的空间。电池也具有挑战性，因为它们会耗尽电力。农民不会绕着 100 英亩的农场定期更换电池或清除太阳能电池板上的灰尘。"为了克服这些挑战，威尔斯、Yen 和他们的合作者想知道，他们是否可以从现有环境中获取能量，也就是从农民正在监测的土壤中获取能量。基于土壤的微生物燃料电池（MFC）于 1911 年首次出现，其工作原理与电池类似具有阳极、阴极和电解质。但 MFC 并不使用化学物质来发电，而是从细菌中获取电能，这些细菌会自然地向附近的导体提供电子。当这些电子从阳极流向阴极时，就形成了一个电路。燃料电池从地下取出进行研究后，被泥土覆盖。图片来源：Bill Yen/西北大学但是，为了让微生物燃料电池不受干扰地运行，它们需要保持水分和氧气，而这在埋于地下的干燥泥土中是很难做到的。Yen说："虽然MFC作为一种概念已经存在了一个多世纪，但其不可靠的性能和低输出功率阻碍了人们对其进行实际应用，尤其是在低湿度条件下。"考虑到这些挑战，Yen 和他的团队开始了为期两年的开发实用、可靠的基于土壤的 MFC 的旅程。他的考察包括创建和比较四种不同的版本。首先，研究人员对每种设计的性能进行了长达九个月的数据收集。然后，他们在室外花园测试了最终版本。性能最好的原型既能在干燥条件下工作，也能在水浸环境下工作。其成功的秘诀是它的几何形状。获胜的燃料电池没有采用阳极和阴极相互平行的传统设计，而是采用了垂直设计。阳极由碳毡（一种廉价、丰富的导体，可捕捉微生物的电子）制成，与地表水平。阴极由惰性导电金属制成，垂直置于阳极之上。虽然整个装置是埋在地下的，但垂直设计确保了上端与地表齐平。设备顶部有一个 3D 打印的盖子，以防止碎片掉落。顶部的小孔和阴极旁的空气室可以保证稳定的气流。阴极的下端一直深埋在地表之下，确保它能从周围潮湿的土壤中保持水分，即使地表土壤在阳光下变干也是如此。研究人员还在阴极的一部分涂上了防水材料，使其在洪水中能够呼吸。而且，在可能发生的洪水过后，垂直设计还能使阴极逐渐变干，而不是一下子变干。平均而言，由此产生的燃料电池所产生的电量是传感器运行所需电量的 68 倍。它还足够坚固耐用，能够承受土壤水分的巨大变化从略微干燥（体积含水量为 41%）到完全浸入水中。研究人员说，他们的土基 MFC 的所有组件都可以在当地五金店买到。下一步，他们计划开发一种由完全可生物降解材料制成的土基 MFC。这两种设计都绕过了复杂的供应链，避免了使用冲突矿产。"通过COVID-19大流行，我们都熟悉了危机是如何扰乱全球电子产品供应链的，"该研究的合著者、前西北大学教师、现就职于佐治亚理工学院的乔赛亚-赫斯特（Josiah Hester）说。"我们希望制造出使用本地供应链和低成本材料的设备，让所有社区都能获得计算能力"。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：