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WiFi帯域の信号を利用してデバイスに電力を供給

WiFi帯域の信号を利用してエネルギーを収穫し、電池を使わずに発光ダイオード（LED）にワイヤレスで電力を供給する実験が成功しました。

Spin-torque oscillators are a class of emerging devices that generate microwaves, and have applications in wireless communication systems. However, the application of STOs is hindered due to a low output power and broad linewidth.

参照元：https://news.nus.edu.sg/nus-engineers-harvest-wifi-signals-to-power-small-electronics/
– シンガポール国立大学 National University of Singapore. 18 May 2021 –

デジタル時代の到来に伴い、デバイス間で情報をワイヤレスで伝送するためのWiFiソースの量が急激に増加しています。

その結果、WiFiが使用する2.4GHzの無線周波数が広く使用されるようになり、余った信号は別の用途に利用できるようになりました。

そこで、シンガポール国立大学と東北大学の研究チームは、スピントルク・オシレーター（STO）と呼ばれる小型のスマートデバイスを用いて、無線電波を収集し、エネルギーに変換して小型電子機器に供給する技術を開発しました。

今回の研究では、WiFi帯域の信号を利用してエネルギーを収穫し、電池を使わずに発光ダイオード（LED）にワイヤレスで電力を供給することに成功しました。

私たちの身の回りにはWiFi信号があふれていますが、インターネットに接続していないときには信号は不活性化しており、これは非常にもったいないことです。

今回の成果は、身近にある2.4GHz帯の電波をグリーンなエネルギー源に変えるための一歩であり、普段使っている電子機器を動かすための電池の必要性を減らすことができます。

このようにして、モノのインターネットの一部として、電波を利用して小型の電気機器やセンサーにワイヤレスで電力を供給することができます。

このプロジェクトを主導したNUSのDepartment of Electrical and Computer EngineeringのYang Hyunsoo教授は話します。

「スマートホームやスマートシティの出現に伴い、今回の研究は、通信、コンピューティング、ニューロモーフィックシステムなどの分野でエネルギー効率の高いアプリケーションを生み出す可能性があります。」

今回の研究は、同じくNUS電気・コンピュータ工学科のGuo Yong Xin教授の研究チームと、TUの深見俊介教授のチームとの共同で行われました。

この成果は、2021年5月18日に「Nature Communications」に掲載されました。

スピントルク発振器は、マイクロ波を発生させる新興デバイスの一種であり、無線通信システムへの応用が期待されています。

しかし、STOは出力が低く、線幅が広いため、応用の妨げになっていました。

この問題を解決するには、複数のSTOを相互に同期させる方法がありますが、複数のSTO間の短距離磁気結合などの現在の方式では空間的な制約があります。

一方、ボルテックス・オシレーターを用いた長距離電気的同期は、周波数応答が数百MHz程度と限られています。

また、個々のSTOに専用の電流源が必要となるため、オンチップ実装全体が複雑になってしまいます。

そこで研究チームは、空間的な限界と低周波数の限界を克服するために、8つのSTOを直列に接続したアレイを考案しました。

このアレイを用いて、WiFiが使用する2.4GHzの電磁波を直接電圧信号に変換し、その電圧信号をコンデンサーに伝送して1.6VのLEDを点灯させました。

コンデンサを5秒間充電すると、無線LANの電源を切っても1分間、同じLEDを点灯させることができました。

今回の研究では、オンチップSTOシステムの設計における電気的トポロジーの重要性も強調されており、直列設計と並列設計を比較しています。

その結果、時間領域での安定性、スペクトルノイズの挙動、インピーダンスミスマッチの制御に優れていることから、無線伝送には並列接続の方が有用であることがわかりました。

一方、直列接続は、STOからのダイオード電圧の加算効果により、エネルギーハーベスティングに有利です。

論文の筆頭著者であるラガヴ・シャーマ博士は話します。

「無線伝送とエネルギーハーベスティングのためのSTOアレイを開発しただけでなく、私たちの研究は、外部の高周波源からの注入ロックを用いて、結合したSTOの同期状態を制御することを実証しました。これらの結果は、高速のニューロモーフィック・コンピューティングなど、同期型STOの将来的な応用にとって重要です。」

研究者たちは、この技術のエネルギーハーベスティング能力を高めるために、設計したアレイのSTOの数を増やすことを検討しています。

さらに、このエネルギーハーベスターを使って、他の有用な電子機器やセンサーをワイヤレスで充電する実験も計画しています。

さらに研究チームは、産業界のパートナーと協力して、自立したスマートシステムのためのオンチップSTOの開発を検討し、ワイヤレス充電やワイヤレス信号検出システムの可能性を広げたいと考えています。

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