北京
近距离的无线充电在生活中已经很常见，然而健康环境监测、物联网等场景，要求为传感器和其它电子设备进行远距离的无线充电。此前，这需要专门的功率发射设备，但在近日发表于《自然·电子学》（Nature Electronics）的一篇论文中，研究人员开发出可以从环境射频信号中收集能量的纳米级自旋整流器（spin rectifers）。
这种纳米级自旋整流器能将Wi-Fi、5G等射频信号转化为直流电压，并首次实现在低功率环境水平下高效运行，对未来可持续电子设备的供电方式具有重要意义。
环境射频能量大量存在于大规模的传感器和物联网设备网络中。这些能量可以被收集并转化为直流电源用于供电，与太阳能、热能和风能等其它能源相比，射频能量具有全天候可用、易于获取的优点，且可以与小型无线传感器网络集成，减少电子设备的碳足迹。
然而，环境中的射频能量较弱。即便是射频能量来源最丰富的IEEE 2.4 GHz频段无线局域网标准，环境可用射频功率水平（P rf）也低于-20 dBm，这对射频整流器的电磁能量收集效率提出了很高的要求。
一个射频能量收集模块（EHM）由接收天线、整流器、能量管理模块和使用所收集直流电源的负载组成，其中，整流器决定了整体效率，是重要的组成部分。而传统的千兆赫肖特基二极管整流器受限于热力学极限和高频寄生阻抗，转换效率几十年来一直停滞不前。
EHM供电示意图。
由新加坡国立大学团队领导研发的自旋整流天线（SR rectenna）很好地弥补了此前射频整流器的不足。该设备在射频功率水平大于-62 dBm且小于-20 dBm的情况下可以可靠工作，使得自旋整流天线能够在较弱的环境条件下保持敏感性。此外，在零偏置和零磁场下，自旋整流天线在射频功率为-55 dBm和-40 dBm时，分别显示了大约3800mV/mW和2200 mV/mW的最大灵敏度，超过了最先进的零偏置肖特基二极管。
自旋整流天线的性能。
研究团队还进一步研制出基于芯片上共面波导的自旋整流器阵列（SR array）。这种阵列的性能依赖于由电压控制磁各向异性（VCMA）驱动的自参数激励，这降低了宽带整流响应激励的阈值，使其具有约34500 mV/mW的较大零偏置灵敏度和7.81%的高转换效率，解决了传统自旋整流器在低功率环境下效率低的问题。
自旋整流器阵列可以被集成到射频能量收集模块中，用于宽带整流和为电子设备供电。自旋整流器阵列的信噪比（SNR）和噪声等效功率（NEP）性能适用于嘈杂环境中的低微波功率检测器应用；此外，自旋整流器阵列可以在-27 dBm的射频功率下无线为传感器供电，在关闭无线源后，自旋整流器阵列可以使1.2 V的温度传感器和1.6 V的发光二极管（LED）分别保持约50秒和30秒的开启状态，展现出在不连续的射频环境中良好的应用前景。
EHM示意图和来自SR阵列的峰值整流电压。
“我们的研究结果表明，自旋整流器技术易于集成和扩展，有利于开发大规模的自旋整流器阵列，用于各种低功率射频和通信应用。利用这种基于人工智能的方法，物联网设备的能效可提高40%，”领导该项目的新加坡国立大学教授Yang Hyunsoo说。
目前，研究团队已经成功使用自旋整流器为商用温度传感器供电。下一步，研究人员还希望与产业界和学术界其他团队合作，推进带有自旋整流器的自持智能系统的开发。如果这一技术成熟并投入使用，环境射频能将成为一种新型绿色替代能源。
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