近距離的無線充電在生活中已經(jīng)很常見，然而健康環(huán)境監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景，要求為傳感器和其它電子設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離的無線充電。此前，這需要專門的功率發(fā)射設(shè)備，但在近日發(fā)表于《自然·電子學(xué)》（NatureElectronics）的一篇論文中，研究人員開發(fā)出可以從環(huán)境射頻信號(hào)中收集能量的納米級(jí)自旋整流器（spinrectifers）。
這種納米級(jí)自旋整流器能將Wi-Fi、5G等射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流電壓，并首次實(shí)現(xiàn)在低功率環(huán)境水平下高效運(yùn)行，對(duì)未來可持續(xù)電子設(shè)備的供電方式具有重要意義。
環(huán)境射頻能量大量存在于大規(guī)模的傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中。這些能量可以被收集并轉(zhuǎn)化為直流電源用于供電，與太陽能、熱能和風(fēng)能等其它能源相比，射頻能量具有全天候可用、易于獲取的優(yōu)點(diǎn)，且可以與小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集成，減少電子設(shè)備的碳足跡。
然而，環(huán)境中的射頻能量較弱。即便是射頻能量來源最豐富的IEEE2.4GHz頻段無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境可用射頻功率水平（Prf）也低于-20dBm，這對(duì)射頻整流器的電磁能量收集效率提出了很高的要求。
一個(gè)射頻能量收集模塊（EHM）由接收天線、整流器、能量管理模塊和使用所收集直流電源的負(fù)載組成，其中，整流器決定了整體效率，是重要的組成部分。而傳統(tǒng)的千兆赫肖特基二極管整流器受限于熱力學(xué)極限和高頻寄生阻抗，轉(zhuǎn)換效率幾十年來一直停滯不前。
EHM供電示意圖。
由新加坡國立大學(xué)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)的自旋整流天線（SRrectenna）很好地彌補(bǔ)了此前射頻整流器的不足。該設(shè)備在射頻功率水平大于-62dBm且小于-20dBm的情況下可以可靠工作，使得自旋整流天線能夠在較弱的環(huán)境條件下保持敏感性。此外，在零偏置和零磁場(chǎng)下，自旋整流天線在射頻功率為-55dBm和-40dBm時(shí)，分別顯示了大約3800mV/mW和2200mV/mW的最大靈敏度，超過了最先進(jìn)的零偏置肖特基二極管。
自旋整流天線的性能。
研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步研制出基于芯片上共面波導(dǎo)的自旋整流器陣列（SRarray）。這種陣列的性能依賴于由電壓控制磁各向異性（VCMA）驅(qū)動(dòng)的自參數(shù)激勵(lì)，這降低了寬帶整流響應(yīng)激勵(lì)的閾值，使其具有約34500mV/mW的較大零偏置靈敏度和7.81%的高轉(zhuǎn)換效率，解決了傳統(tǒng)自旋整流器在低功率環(huán)境下效率低的問題。
自旋整流器陣列可以被集成到射頻能量收集模塊中，用于寬帶整流和為電子設(shè)備供電。自旋整流器陣列的信噪比（SNR）和噪聲等效功率（NEP）性能適用于嘈雜環(huán)境中的低微波功率檢測(cè)器應(yīng)用；此外，自旋整流器陣列可以在-27dBm的射頻功率下無線為傳感器供電，在關(guān)閉無線源后，自旋整流器陣列可以使1.2V的溫度傳感器和1.6V的發(fā)光二極管（LED）分別保持約50秒和30秒的開啟狀態(tài)，展現(xiàn)出在不連續(xù)的射頻環(huán)境中良好的應(yīng)用前景。
EHM示意圖和來自SR陣列的峰值整流電壓。
“我們的研究結(jié)果表明，自旋整流器技術(shù)易于集成和擴(kuò)展，有利于開發(fā)大規(guī)模的自旋整流器陣列，用于各種低功率射頻和通信應(yīng)用。利用這種基于人工智能的方法，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能效可提高40%，”領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的新加坡國立大學(xué)教授YangHyunsoo說。
目前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功使用自旋整流器為商用溫度傳感器供電。下一步，研究人員還希望與產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界其他團(tuán)隊(duì)合作，推進(jìn)帶有自旋整流器的自持智能系統(tǒng)的開發(fā)。如果這一技術(shù)成熟并投入使用，環(huán)境射頻能將成為一種新型綠色替代能源。
