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物联网(IoT)设备的理想选择，特别适用于环境传感器、智能恒温器等需要长期持续运行的电池供电设备，也可用于健康监测可穿戴设备、智能摄像头或工业监测传感器。

研究团队开发的芯片采用被动滤波机制，静态功耗低于1毫瓦，既能保护接收器放大器的输入输出端，又能有效抑制可能导致设备阻塞的无线干扰信号。

该技术的核心创新在于采用预充电堆叠电容器阵列，通过微型开关网络连接。与传统物联网接收器相比，这些微型开关的导通/关断功耗显著降低。

接收器的电容网络和放大器经过精心设计，通过利用放大过程中的米勒效应，使得芯片可以使用比常规方案小得多的电容器。

麻省理工学院电子工程与计算机科学系(EECS)博士研究生、论文第一作者Soroush Araei表示："该接收器有望拓展物联网设备的功能。医疗监测设备或工业传感器等智能设备可以做得更小巧，续航时间更长，在工厂车间或智慧城市网络等复杂无线电环境中也能保持稳定工作。"

共同作者包括麻省理工学院电子研究实验室(RLE)博士后Mohammad Barzgari、EECS博士研究生Haibo Yang，以及资深作者Negar Reiskarimian教授。研究成果已在IEEE射频集成电路研讨会上发表。

新标准制定

接收器作为物联网设备与环境的中介，承担着信号检测放大、干扰滤除和模数转换等核心功能。

传统物联网接收器采用固定频段工作，通过单一窄带滤波器抑制干扰，这种方式虽然成本低廉但功能有限。

5G移动网络新标准支持低成本、低功耗的减配设备，为物联网应用开启了高速数据传输和增强网络能力的新时代。这种新一代物联网设备需要能在宽频范围内调谐，同时保持经济性和低功耗的接收器。

Araei指出："这对设计提出严峻挑战，我们不仅要考虑接收器的功耗和成本，还需应对环境中的多重干扰源。"

为实现小型化、低成本和低功耗，工程师无法依赖传统宽频设备使用的大体积片外滤波器。

解决方案之一是使用片内电容网络进行滤波，但这种方案易受谐波干扰影响。

此前研究中，团队开发了新型开关电容网络，可在接收链路前端有效消除谐波干扰，大幅提升信号处理质量。

电路微型化

本研究将开关电容网络作为负增益放大器的反馈路径，利用米勒效应使微型电容呈现大电容特性。

Araei解释："这种创新使我们无需物理大尺寸元件即可满足窄带物联网的滤波需求，电路面积因此显著缩小。"

该接收器芯片的有效面积小于0.05平方毫米。

研究团队攻克的关键技术难题包括：在0.6伏超低工作电压下实现开关驱动，以及开发创新的自举时钟技术。该技术通过适度提升控制电压确保开关可靠动作，相比传统时钟升压方法功耗更低、元件更少。

综合创新使新型接收器功耗低于1毫瓦，谐波抑制能力达到传统物联网接收器的30倍。

Araei补充道："由于开关尺寸极小，芯片射频泄漏水平仅为传统设备的1/30，显著降低电磁污染。"

得益于微型化设计和开关预充电电容方案，该接收器相比传统设备更具成本优势。宽频覆盖特性使其可适配现有及未来多种物联网设备。

研究团队下一步计划开发无源供电方案，通过环境中的Wi-Fi或蓝牙信号获取能量，实现完全自主工作。

本研究获得美国国家科学基金会资助。