用Wi-Fi訊號讓小型電子裝置「來電」!

作者 : 胡安,EET China

新加坡國立大學(NUS)和日本東北大學(TU)的研究人員設計出一種基於自旋轉矩振盪器(STO)的新方法,利用無線訊號並將其轉換為能量,從而為小型電子裝置供電…

我們所處的環境中充斥著非常多的無線電波,把這些電波收集起來,為小型電子裝置供電,一直是科學家們的努力方向。

為了利用這種未被充份利用的能源,新加坡國立大學(National University of Singapore;NUS)和日本東北大學(Tohoku University;TU)的研究團隊開發了一種技術,該技術使用稱為自旋轉矩振盪器(spin-torque oscillators;STO)的小型智慧裝置進行採集,並將將無線電頻率轉換為能量,為小型電子產品供電。研究人員如今已成功地使用Wi-Fi波段訊號來採集能量,並以無線方式為發光二極體(LED)和其它小型電子裝置/感測器供電,而無需使用任何電池。

圖1:具有直流偏置的自旋轉矩振盪器同步。

這項研究的作者NUS電氣與電腦工程系教授Yang Hyunsoo稱:「我們生活在一個被Wi-Fi訊號所包圍的世界,而當我們未使用它們來存取網際網路時,它們就處於非活躍的的狀態,這其實是一種浪費。我們最新的成果是將現有的2.4GHz無線電波轉變成綠色的能源,因而減少了一般用於為電子產品供電的電池需求。那麼,小型無線電產品和感測器就可以透過將射頻(RF)波作為物聯網(IoT)的一部份而實現無線供電。」

隨著智慧家庭和城市的出現,這項成果可望在通訊、運算和神經形態系統中產生高能效的應用。

圖2:主要的研究人員:NUS電氣與電腦工程系教授Yang Hyunsoo (),以及TU教授Raghav Sharma

這項研究結果已於2021年5月18日發表在《自然通訊》(Nature Communications )上。

Wi-Fi訊號轉換成綠電

自旋轉矩振盪器(STO)是一種可產生微波的新裝置,已應用於無線通訊系統中。然而,由於低輸出功率和較寬線寬,阻礙了STO的應用。雖然多個STO之間的同步是克服此問題的一種方法,但是當前的機制(如多個STO之間的短距離磁耦合)具有空間限制。另一方面,使用渦旋振盪器的遠程電同步化僅限於幾百MHz的頻率響應。它還需要用於各個STO的專用電流源,這可能使得整個晶片建置更加複雜。

為了克服空間和低頻限制,研究團隊提出了一個擁有八個STO串聯連​​接的陣列。使用此陣列,Wi-Fi所用的2.4GHz電磁無線電波被轉換為直流電壓訊號,然後將其傳輸到電容器以點亮1.6V LED。如果為電容器充電5秒,等到關閉無線電源後,就能夠持續點亮同一LED約一分鐘。

在此研究中,研究人員還強調了電氣拓撲對於設計晶片STO系統的重要性,並比較了串聯設計與並聯設計。研究人員發現,並聯配置由於具有更好的時域穩定度、頻譜雜訊特性以及對於阻抗失配的控制,對於無線傳輸更有利。 另一方面,串聯連接由於來自STO的二極體電壓之累加效應,在能量採集方面較具優勢。

為了增強這項技術的能量採集能力,研究人員正致力於為其所設計的陣列增加STO數量。此外,他們並計劃測試該能量採集器,期望能為其他有用的電子裝置和感測器進行無線充電。研究小組也希望能與業界公司合作,共同開發用於自供應智慧系統的晶片STO,這將為無線充電和無線訊號檢測系統開啟更多的可能性。

相關研究案例

這項研究是順應轉變邁出的第一步,屆時2.4GHz無線電波將成為綠色能量來源,以減少對於電子裝置的電池需求。《電子技術設計》(EDN)以往也曾經有過相關的研究報導。例如,2019年,美國麻省理工學院(MIT)的研究將Wi-Fi訊號轉換為電訊號,研究人員展示了一種新型的整流天線,當時也在《Nature》雜誌上發表。該整流天線使用一種軟性RF天線,以擷取電磁波(包括攜帶Wi-Fi的電磁波)作為交流波形。

接著,進一步將天線連接到由只有幾個原子厚的二維半導體製成的新型裝置。 AC訊號傳播到半導體中,然後將其轉換為可用於為電子電路供電或為電池充電的DC電壓。

如此一來,無需電池的裝置就可以被動地擷取無處不在的Wi-Fi訊號,並將其轉換為有用的DC電源。而且,該裝置是軟性的,能以捲對捲的方式製造以覆蓋非常大的面積。

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