MIT's tiny 5G receiver could make smart devices last longer and work anywhere

这款低成本接收器将成为电池供电物联网（IoT）设备的理想选择，例如环境传感器、智能恒温器，或其他需要长时间连续运行的设备，如健康可穿戴设备、智能摄像机或工业监测传感器。

研究人员设计的芯片采用无源滤波机制，静态功耗低于一毫瓦，同时保护接收器放大器的输入和输出免受可能阻塞设备的有害无线信号干扰。

该新方法的关键在于一种创新的预充电堆叠电容器排列方式，这些电容器通过微型开关网络连接。这些微型开关的开关功耗远低于物联网接收器中常用的开关。

接收器的电容器网络和放大器经过精心排布，以利用放大过程中的一种现象，使得芯片可以使用比通常所需小得多的电容器。

论文第一作者、麻省理工学院（MIT）电气工程与计算机科学系（EECS）研究生索鲁什·阿拉伊（Soroush Araei）表示："这款接收器有助于扩展物联网设备的功能。诸如健康监测器或工业传感器等智能设备可以变得更小且电池寿命更长。在拥挤的无线电环境（如工厂车间或智慧城市网络）中，它们也将更加可靠。"

论文合著者包括麻省理工学院电子研究实验室（RLE）博士后穆罕默德·巴兹加里（Mohammad Barzgari）、EECS研究生杨海波（Haibo Yang），以及资深作者内加尔·雷斯克里米安（Negar Reiskarimian）——麻省理工学院EECS系X-Window联盟职业发展助理教授、微系统技术实验室和RLE成员。该研究近期在IEEE射频集成电路研讨会上发表。

新标准

接收器充当物联网设备与其环境之间的中介。其职责是检测并放大无线信号，滤除任何干扰，然后将其转换为数字数据进行处理。

传统上，物联网接收器工作在固定频率，并使用单窄带滤波器抑制干扰，这种方式简单且成本低廉。

但5G移动网络的新技术规范支持功能精简型设备，使其更经济且更节能。这为物联网应用开辟了5G更快的数据速度和增强的网络能力。这些下一代物联网设备需要接收器能够在宽频率范围内调谐，同时保持成本效益和低功耗。

阿拉伊指出："这极具挑战性，因为我们现在不仅需要考虑接收器的功耗和成本，还需考虑应对环境中大量干扰源的灵活性。"

为了减小物联网设备的尺寸、成本和功耗，工程师无法依赖通常用于宽频设备中的笨重片外滤波器。

一种解决方案是使用片上电容器网络来滤除不需要的信号。但这些电容器网络容易受到一种特殊类型的信号噪声（称为谐波干扰）的影响。

在先前的研究中，MIT团队开发了一种新型开关电容器网络，可在接收链路的早期阶段针对这些谐波信号，在无用信号被放大并转换为数字位进行处理之前将其滤除。

缩小电路

此次，他们将该方法扩展，将新型开关电容器网络用作负增益放大器的反馈路径。这种配置利用了密勒效应（Miller effect），该现象可使小电容器表现出类似大电容器的特性。

阿拉伊解释道："这项技巧使我们能在不采用大型物理组件的情况下满足窄带物联网的滤波要求，从而大幅缩小电路尺寸。"

其接收器的有效面积小于0.05平方毫米。

研究人员必须克服的一个挑战是：如何在芯片总电源电压仅为0.6伏的情况下，施加足够的电压来驱动开关。

在存在干扰信号的情况下，尤其是当开关所需电压极低时，这些微型开关可能发生误开关。

为解决此问题，研究人员提出了一种创新方案，采用称为"自举时钟"的特殊电路技术。该方法将控制电压提升至足以确保开关可靠工作的水平，同时比传统时钟提升方法功耗更低、组件更少。

综合这些创新，新型接收器功耗低于一毫瓦，同时阻挡的谐波干扰量是传统物联网接收器的约30倍。

阿拉伊补充道："我们的芯片在无线频谱污染方面也非常'安静'。这是因为我们的开关非常小，因此可能从天线泄漏的信号量也很小。"

由于该接收器比传统设备更小，且依赖开关和预充电电容器而非更复杂的电子元件，其制造成本可能更具优势。此外，因接收器设计可覆盖广泛的信号频率范围，它可应用于多种当前及未来的物联网设备。

在完成该原型设计后，研究人员希望实现接收器无需专用电源供电，或许可通过从环境中收集Wi-Fi或蓝牙信号为芯片供能。

这项研究部分得到了美国国家科学基金会的支持。