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所用的2.4GHz无线电频率被广泛使用，多余的信号可用于其他用途。
为了利用这一未充分利用的能源，新加坡国立大学（NUS）和日本东北大学（TU）的一个研究团队开发了一种技术，利用称为自旋转矩振荡器（STO）的微型智能设备来获取无线射频并将其转化为能量，为小型电子设备提供动力。在他们的研究中，研究人员成功地利用WiFi波段的信号以无线方式为发光二极管（LED）供电，而不使用任何电池。
领导这一项目的新加坡国立大学电气与计算机工程系的Yang Hyunsoo教授表示：“我们周围都是WiFi信号，但是，我们不使用这些信号上网时，它们是闲置的，这是一种巨大的浪费。我们的最新成果朝着将现有的2.4GHz无线电波转变为绿色能源迈出了一步，从而减少了我们经常使用的电子设备对电池的需求。通过这种方式，小型电子设备和传感器可以通过无线电波以无线方式供电，作为物联网的一部分。随着智能家庭和智能城市的出现，我们的工作可能会在通信、计算和神经形态系统中产生节能应用。”
这项研究是与新加坡国立大学电气与计算机工程系的郭永新教授的研究团队，以及日本东北大学Shunsuke Fukami教授及其团队合作进行的。研究结果发表在2021年5月18日的《自然通讯》上。
将WiFi信号转换为可用能量
自旋转矩振荡器是一种产生微波的新兴器件，在无线通信系统中有着广泛的应用。然而，由于输出功率低，线宽宽，自旋转矩振荡器的应用受到限制。
虽然多个自旋转矩振荡器的相互同步是克服这个问题的一种方法，但是电流方案，例如多个自旋转矩振荡器之间的短程磁耦合，具有空间限制。另一方面，使用涡流振荡器的远程电同步仅限于几百兆赫的频率响应。它还需要为自旋转矩振荡器提供专用的电流源，这会使整个片上实现复杂化。
为了克服空间和低频的限制，研究团队提出了一种阵列，其中8个自旋转矩振荡器串联在一起。利用这个阵列，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，点亮1.6伏的发光二极管。当电容器充电5秒钟后，它能够在无线电源关闭后点亮同一个发光二极管达一分钟。
在他们的研究中，研究人员还强调了电路拓扑对设计片上自旋转矩振荡器系统的重要性，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、频谱噪声特性和对阻抗失配的控制，并行配置对于无线传输更有用。另一方面，由于自旋转矩振荡器二极管电压的叠加效应，串联有利于能量收集。
论文的第一作者拉加夫·沙玛博士在评论他们研究结果的重要意义时说：“除了提出一种用于无线传输和能量收集的自旋转矩振荡器自旋转矩振荡器阵列外，我们的工作还演示了使用外部射频源的注入锁定来控制耦合自旋转矩振荡器的同步状态。这些结果对于同步自旋转矩振荡器的未来应用，如快速神经形态计算具有重要意义。”
下一步
为了增强他们这项技术的能量收集能力，研究人员正在想办法增加他们设计的阵列中自旋转矩振荡器的数量。此外，还计划测试他们的能量收集器，为其他有用的电子设备和传感器进行无线充电。
该研究团队还希望与行业合作伙伴合作，探索为自我维持的智能系统开发片上自旋转矩振荡器，可以为无线充电和无线信号检测系统开辟可能性。
