近距離的無線充電在生活中已經很常見，然而健康環境監測、物聯網等場景，要求為傳感器和其它電子設備進行遠距離的無線充電。此前，這需要專門的功率發射設備，但在近日發表于《自然·電子學》（NatureElectronics）的一篇論文中，研究人員開發出可以從環境射頻信號中收集能量的納米級自旋整流器（spinrectifers）。
這種納米級自旋整流器能將Wi-Fi、5G等射頻信號轉化為直流電壓，并首次實現在低功率環境水平下高效運行，對未來可持續電子設備的供電方式具有重要意義。
環境射頻能量大量存在于大規模的傳感器和物聯網設備網絡中。這些能量可以被收集并轉化為直流電源用于供電，與太陽能、熱能和風能等其它能源相比，射頻能量具有全天候可用、易于獲取的優點，且可以與小型無線傳感器網絡集成，減少電子設備的碳足跡。
然而，環境中的射頻能量較弱。即便是射頻能量來源最豐富的IEEE2.4GHz頻段無線局域網標準，環境可用射頻功率水平（Prf）也低于-20dBm，這對射頻整流器的電磁能量收集效率提出了很高的要求。
一個射頻能量收集模塊（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。而傳統的千兆赫肖特基二極管整流器受限于熱力學極限和高頻寄生阻抗，轉換效率幾十年來一直停滯不前。
EHM供電示意圖。
由新加坡國立大學團隊領導研發的自旋整流天線（SRrectenna）很好地彌補了此前射頻整流器的不足。該設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境條件下保持敏感性。此外，在零偏置和零磁場下，自旋整流天線在射頻功率為-55dBm和-40dBm時，分別顯示了大約3800mV/mW和2200mV/mW的最大靈敏度，超過了最先進的零偏置肖特基二極管。
自旋整流天線的性能。
研究團隊還進一步研制出基于芯片上共面波導的自旋整流器陣列（SRarray）。這種陣列的性能依賴于由電壓控制磁各向異性（VCMA）驅動的自參數激勵，這降低了寬帶整流響應激勵的閾值，使其具有約34500mV/mW的較大零偏置靈敏度和7.81%的高轉換效率，解決了傳統自旋整流器在低功率環境下效率低的問題。
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）性能適用于嘈雜環境中的低微波功率檢測器應用；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的發光二極管（LED）分別保持約50秒和30秒的開啟狀態，展現出在不連續的射頻環境中良好的應用前景。
EHM示意圖和來自SR陣列的峰值整流電壓。
“我們的研究結果表明，自旋整流器技術易于集成和擴展，有利于開發大規模的自旋整流器陣列，用于各種低功率射頻和通信應用。利用這種基于人工智能的方法，物聯網設備的能效可提高40%，”領導該項目的新加坡國立大學教授YangHyunsoo說。
目前，研究團隊已經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業界和學術界其他團隊合作，推進帶有自旋整流器的自持智能系統的開發。如果這一技術成熟并投入使用，環境射頻能將成為一種新型綠色替代能源。
