NUS工程师收集WiFi信号为小型电子设备供电

随着数字时代的兴起，用于在设备之间无线传输信息的 WiFi 源数量呈指数级增长。这导致 WiFi 使用的 2.4GHz 射频得到广泛使用，多余的信号可用于替代用途。

为了利用这种未充分利用的能源，新加坡国立大学 (NUS) 和日本东北大学 (TU) 的一个研究小组开发了一种技术，该技术使用称为自旋扭矩振荡器 (STO) 的微型智能设备来收集和将无线电频率转换为能量，为小型电子设备供电。在他们的研究中，研究人员成功地使用 WiFi 波段信号收集能量，以无线方式为发光二极管 (LED) 供电，而无需使用任何电池。

“我们被 WiFi 信号包围，但是当我们不使用它们访问互联网时，它们是不活动的，这是一种巨大的浪费。我们的最新成果是朝着将现成的 2.4GHz 无线电波转变为绿色来源迈出的一步能源，因此减少了对电池为我们经常使用的电子设备供电的需求。通过这种方式，小型电子设备和传感器可以通过使用射频波作为物联网的一部分进行无线供电。随着智能家居的出现和城市，我们的工作可以在通信、计算和神经形态系统中产生节能应用，”该项目的带头人、来自新加坡国立大学电气和计算机工程系的杨贤秀教授说。

该研究是与同样来自新加坡国立大学电气与计算机工程系的郭永鑫教授的研究团队以及来自 TU 的 Shunsuke Fukami 教授及其团队合作进行的。结果于 2021 年 5 月 18 日发表在《自然通讯》上。

将 WiFi 信号转换为可用能量

自旋力矩振荡器是一类新兴的产生微波的器件，在无线通信系统中有应用。然而，由于输出功率低和线宽宽，STO的应用受到阻碍。

虽然多个 STO 的相互同步是克服这个问题的一种方法，但当前的方案，例如多个 STO 之间的短程磁耦合，具有空间限制。另一方面，使用涡旋振荡器的远程电同步仅限于只有几百 MHz 的频率响应。它还需要用于各个 STO 的专用电流源，这会使整体片上实现复杂化。

为了克服空间和低频限制，研究团队提出了一个阵列，其中八个 STO 串联。使用这个阵列，WiFi 使用的 2.4 GHz 电磁无线电波被转换成直流电压信号，然后传输到电容器以点亮 1.6 伏 LED。当电容器充电五秒钟时，它能够在无线电关闭后点亮相同的 LED 一分钟。

在他们的研究中，研究人员还强调了电气拓扑对设计片上 STO 系统的重要性，并将串联设计与并联设计进行了比较。他们发现，由于更好的时域稳定性、频谱噪声行为和对阻抗失配的控制，并行配置对无线传输更有用。另一方面，由于来自 STO 的二极管电压的累加效应，串联连接在能量收集方面具有优势。

该论文的第一作者 Raghav Sharma 博士在评论他们的结果的重要性时分享道：“除了提出用于无线传输和能量收集的 STO 阵列之外，我们的工作还展示了对耦合 STO 同步状态的控制使用来自外部射频源的注入锁定。这些结果对于同步 STO 的预期应用非常重要，例如快速神经形态计算。”

为了增强他们技术的能量收集能力，研究人员正在寻求增加他们设计的阵列中 STO 的数量。此外，他们计划测试他们的能量收集器，以便为其他有用的电子设备和传感器无线充电。

研究团队还希望与行业伙伴合作，探索开发用于自给自足智能系统的片上 STO，为无线充电和无线信号检测系统开辟可能性。