射频控温热凝器

火力发电占中国超过70%的发电量，全国遍布了成千上百座火电厂，火力发电厂的安全运营对于电力生产商至关重要。在火电厂中，AMETEK DREXELBROOK的物位产品在静电除尘器、输煤程控、气力输送领域以及汽轮机油箱液位监控、润滑油含水测量等领域有非常成熟的应用方案。在输煤程控领域，AMETEK DREXELBROOK的射频导纳物位开关（杆式或平板式）安装在原煤仓上进行低位、高位和高高位料位报警，DR6400/6500系列26/80GHZ雷达料位计安装在罐顶对煤位进行连续监控。下面图片均为AMETEK DREXELBROOK物位产品在现场安装使用的工况照：图1上图1位在原煤仓上的低位报警开关，该工况选用的射频导纳平板开关，开关的安装形式巧妙避免了落煤对传感器的损害，完美的实现了低位报警功能。图2上图2为原煤仓连续煤位测量，采用AMETEK DREXELBROOK DR6500系列80Ghz高频雷达，精确的为客户计算煤位，和开关一起，双重保证原煤仓安全运作。以上用实际应用图片体现了AMETEK DREXELBROOK产品在电厂多个场合的应用，除以上图片所显示实际应用案例之外，还有其他诸多场合，总体火力电厂应用总结如下：AMETEK DREXELBROOK射频导纳产品在国内的火电厂应用非常多，目前开关的使用量累计超过20000台，见证了中国火电厂的发展历程，也维护了火电厂的安全运行。

第八届浙江省国际“互联网+”大学生创新创业大赛决赛中获得“金钥匙奖”颁奖。 将一台手掌大小的长方形仪表盒子线头接上一段射频电路，仪表显示屏上随即出现电波图形… … 8月上旬，在杭州电子科技大学通信工程学院科协创新实验室内，一款由该院学生团队联合研发的便携式矢量网络分析仪进行应用演示。 “如果电波图形和被测试电路板上已绘制好的电波图形吻合，说明该射频电路发射性能优良，反之则说明该电路传输信号有问题。”该设备核心研发人员、杭电通信学院大三学生江逸宁介绍说，团队凭此在7月底落幕的第八届浙江省国际“互联网+”大学生创新创业大赛决赛中获得“金钥匙奖”，从而拿到这一赛事全国总决赛的入场券。 记者了解到，这一分析仪可用于检查信号发射状况，分析出基站天线、电缆接触状况等影响网络的变量，并进行修复，从而恢复基站正常功能。 射频电路的网络测试，具有广泛应用场景。比如当前在高校开展广泛的电子信息类学科竞赛，普遍要用到无线信号传递。通常智能车的通信模块、航模比赛的遥控装置等就要用到射频电路发射信号。 “在电子竞赛中深感现有市场上网络测试仪器使用起来不便或太贵，所以我们想自己研发性价比高、使用方便的网络测试仪，目标是使其成为射频微波领域的‘万用表’。”该项目主要负责人、杭电通信学院大三学生王来龙说。 “实验室用到的电子网络测试仪、基站维护领域的驻波仪等设备，通常价格不菲以及被国外垄断。”该团队指导老师、杭电通信学院教授张福洪说，他们鼓励学生研发推出具备类似功能甚至可实现部分替代的仪器。 据介绍，这一分析仪由学生团队通过自主设计核心电路优化仪器电路结构、使用国产全自主芯片以及提升机器学习方法研制而成，基于团队成员的快速锁相环、数模转换器等专利，使频率测量的效率大为提高，同时降低了生产成本。 “同学们从实践出发，学以致用，促进电子测试仪器的国有化，推动测量仪器进一步发展，是一次大胆而创新的尝试。”中国电子学会嵌入式系统专家委员会委员严义教授对此表示。

【科学背景】随着无线传感器网络在健康监测、环境监测和物联网（IoT）等应用中的重要性日益增加，如何有效供电成为一个关键问题。当前，许多传感器需要在难以接触的地方进行安装，例如用于空气质量、温度和湿度监测的传感器，这些传感器的电力需求通常无法依赖传统电池供给。因此，开发一种能够从环境中收集能量并转化为电力的技术成为了一个重要研究方向。在众多能源收集技术中，射频（RF）能量收集因其全天候可用、易于获取且可以与小型无线传感器网络集成的优点而备受关注。射频能量收集的关键挑战之一是如何在低功率条件下提高能量转换效率。尽管已有技术如肖特基二极管和隧道二极管在较高功率条件下表现出较高的效率，但在环境射频功率低于 -20 dBm 的情况下，这些技术的效率大幅降低，无法满足实际应用需求。此外，传统射频整流器面临热力学极限和高频寄生阻抗等问题，这些因素严重制约了其在低功率环境下的性能。为此，新加坡国立大学Hyunsoo Yang等科学家们致力于改进自旋整流器的性能。例如，作者的研究团队开发了一种新型的自旋整流器 rectenna，其在 -62 dBm 的射频功率下具有约 10,000 mV mW&minus 1 的高灵敏度，能够在弱且嘈杂的环境中有效收集射频能量。此外，作者还开发了一种基于片上共面波导的自旋整流器阵列，该阵列展示了约 34,500 mV mW&minus 1 的零偏灵敏度和 7.81% 的高效率。作者的研究解决了传统自旋整流器在低功率环境下效率低的问题，通过利用电压控制的磁各向异性（VCMA）驱动的自参量效应，显著提高了灵敏度和检测带宽。这一进展使得作者的自旋整流器可以在 -27 dBm 的低射频功率下为传感器提供无线供电，展现出良好的应用前景。 【科学亮点】1. 实验首次展示了高灵敏度自旋整流器（SR）rectenna的应用：本文首次报道了一种具有高灵敏度的 SR rectenna，能够在 -62 dBm 的低射频功率下进行能量收集，达到约 10,000 mV mW&minus 1 的灵敏度。这种 SR rectenna 能够在弱且嘈杂的环境中有效捕获射频能量。2. 通过优化器件特性提升灵敏度：研究中指出，单个 SR 的灵敏度与其内在特性密切相关，包括垂直各向异性、器件几何形状和来自极化层的偶极场。这些因素共同定义了纳米磁体的能量景观，并促使低输入功率下的大角度磁化进动。此外，SR 的灵敏度还与磁隧道结（MTJ）的动态响应相关，尤其是零场隧道磁阻（TMR）和电压控制的磁各向异性（VCMA）系数对增强零偏置整流电压的作用。3. SR 阵列的自参量效应提升了性能：实验还显示了 SR 阵列在没有外部天线或匹配设置的情况下，通过 VCMA 驱动的自参量效应，增强了灵敏度和检测带宽。该 SR 阵列基础的能量收集模块（EHM）能够在 -27 dBm 的低射频功率下为商业传感器供电，展示了其在实际应用中的有效性和高效性。【科学图文】图1：利用自旋整流器Spin rectifiers，SRs的射频Radiofrequency，RF能量收集。图2： 自旋整流器SR整流天线的性能。图3： 宽带和谐振整流的调谐。图4：基于宽带低功率自旋整流器SR的能量收集器energy harvesting module，EHM。图5: 肖特基二极管、自旋整流器SR阵列和SR整流天线之间的整流性能比较。 【科学启迪】本文的研究通过优化自旋整流器的设计，包括垂直各向异性和设备几何形状，研究成功实现了在极低射频功率下的高灵敏度检测。这表明，通过精细调控材料和结构特性，可以显著提高纳米尺度整流器的能量转换效率，从而扩展其在低功率环境下的应用范围。其次，本文引入了基于电压控制的磁各向异性（VCMA）的自参量效应，展示了在没有外部天线或匹配设置的情况下，如何通过自参量激发实现更高的灵敏度和更宽的检测带宽。这一发现不仅突破了传统射频整流器在低功率和复杂环境下的性能瓶颈，还为未来开发更高效的射频能量收集模块提供了新的思路。最后，本研究表明，基于自旋整流器的射频能量收集模块在实际应用中具有良好的性能，如在 -27 dBm 的低射频功率下为商业传感器供电。这表明这些整流器不仅具备高灵敏度和高效率，还具备良好的实际应用潜力，适合于未来无线传感器网络和物联网设备的集成与应用。原文详情：Sharma, R., Ngo, T., Raimondo, E. et al. Nanoscale spin rectifiers for harvesting ambient radiofrequency energy. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01212-1