工程师从WiFi信号中获取能量,为小型电子产品供电

带有自旋力矩振荡器的芯片

一个嵌入约50个自旋力矩振荡器的芯片。资料来源:新加坡国立大学

研究人员使用旋转扭矩振荡器设计了一种方法,以利用无线信号并将它们转换为能量以电源小电子。

随着数字时代的升​​高,WiFi源的数量在设备之间无线传输信息已经指数增长。这导致WiFi使用的2.4GHz无线电频率的广泛使用,可用于替代用途的多余信号。

To harness this under-utilized source of energy, a research team from the National University of Singapore (NUS) and Japan’s Tohoku University (TU) has developed a technology that uses tiny smart devices known as spin-torque oscillators (STOs) to harvest and convert wireless radio frequencies into energy to power small electronics. In their study, the researchers had successfully harvested energy using WiFi-band signals to power a light-emitting diode (LED) wirelessly, and without using any battery.

“我们被WiFi信号包围,但当我们不使用它们连接互联网时,它们是不活跃的,这是一个巨大的浪费。”我们的最新成果是朝着把现成的2.4GHz无线电波转化为绿色能源迈出了一步,从而减少了我们日常使用的电子产品对电池的需求。通过这种方式,小型电子设备和传感器可以通过无线频率波作为物联网的一部分来无线供电。随着智能家居和城市的出现,我们的工作将促进在通信、计算和神经形态系统中的节能应用。”新加坡国立大学电气和计算机工程系的杨玄洙教授领导了这个项目。

杨贤洙和Raghav Sharma

由杨永村教授(左)领导的团队实现的研究突破。Raghav Sharma博士(右侧)是本文的第一个作者,嵌入有大约50个旋转扭矩振荡器的芯片。资料来源:新加坡国立大学

该研究是与郭永鑫教授的研究团队合作进行的,他也是来自电气和计算机工程系的NUS系,以及Shunsuke Fukami教授和他的团队。结果发表在自然通讯于2021年5月18日。

将WiFi信号转换为可用能量

自旋转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广泛的应用。然而,由于STOs输出功率低、线宽宽,阻碍了STOs的应用。

虽然多个STOs之间的相互同步是解决这一问题的一种方法,但目前的方案,如多个STOs之间的短程磁耦合,有空间限制。另一方面,使用涡旋振荡器的远距离电同步频率响应只有几百兆赫兹。它还需要为单个STOs提供专用的电流源,这可能会使整个片上实现复杂化。

为了克服空间和低频率限制,研究团队提出了一个阵列,其中八个STO串联连​​接。使用该阵列,WiFi使用的2.4 GHz电磁无线电波被转换为直接电压信号,然后将其传输到电容器以点亮1.6伏LED。当电容器充电五秒钟时,在关闭无线电源后,它能够在无线电源关闭后一分钟点亮相同的LED。

在他们的研究中,研究人员还强调了电气拓扑对于设计片上STO系统的重要性,并比较了串联设计和并联设计。他们发现并行配置对于无线传输更有用,因为它具有更好的时域稳定性、频谱噪声行为和对阻抗失配的控制。另一方面,由于STOs的二极管电压的加性效应,串联连接在能量收集方面具有优势。

评论其结果的重要性,Raghav Sharma博士,纸张的第一个作者,分享,“除了上来的STO阵列进行无线传输和能量收集,我们的工作还证明了控制耦合STO的同步状态使用从外部射频源的喷射锁定。这些结果对于同步STO的前瞻性应用是重要的,例如快速神经形态计算。“

下一步

为了提高其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的STO数量。此外,他们计划测试其能量收割机,以便无线地充电其他有用的电子设备和传感器。

研究团队还希望与行业合作伙伴合作,探讨自持续智能系统的片上STO的开发,这可以为无线充电和无线信号检测系统开辟可能性。

参考文献:Raghav Sharma, Rahul Mishra, Tung Ngo, Yong-Xin Guo, Shunsuke Fukami, Hideo Sato, Hideo Ohno和Hyunsoo Yang,“2.4 GHz WiFi频段传输和能量收集电连接自旋力矩振荡器阵列”,2021年5月18日,自然通讯
DOI: 10.1038 / s41467 - 021 - 23181 - 1

1评论关于“工程师从WiFi信号中获取能量,为小型电子产品供电”

  1. 自旋扭矩振荡器和DNA之间有什么机电相似性吗?

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