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环境传感器、智能恒温器等电池供电物联网（IoT）设备的理想选择，亦适用于需长期持续运行的设备，如健康可穿戴设备、智能摄像头或工业监测传感器。

研究人员的芯片采用无源滤波机制，静态功耗低于1毫瓦，同时保护接收器放大器的输入和输出端免受可能干扰设备的杂散无线信号影响。

该技术的核心创新在于预充电堆叠电容器的独特排列结构，这些电容器通过微型开关网络连接。相较于物联网接收器中常见的开关，这些微型开关的启闭功耗显著降低。

接收器的电容网络与放大器经过精密排布，利用放大过程中的特殊物理效应（米勒效应），使芯片能够使用比常规需求更小型的电容器。

麻省理工学院电气工程与计算机科学系（EECS）研究生、论文第一作者索鲁什·阿拉伊表示："该接收器将拓展物联网设备的功能边界。健康监测仪或工业传感器等智能设备可实现更小体积与更长电池续航，在工厂车间或智慧城市网络等复杂无线电环境中也将具备更高可靠性。"

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·巴尔兹加里、EECS研究生杨海波，以及通讯作者内加尔·雷斯克里米安——麻省理工学院EECS系X-Window联盟职业发展助理教授，同时任职于微系统技术实验室和RLE。该研究成果近期发表于IEEE射频集成电路研讨会。

新标准的诞生

接收器充当物联网设备与环境之间的中介，其核心功能包括检测放大无线信号、滤除干扰，并将信号转换为可处理的数字数据。

传统物联网接收器采用固定频率工作，通过单一窄带滤波器抑制干扰，结构简单且成本低廉。

随着5G移动网络新标准支持低性能终端设备，更经济节能的设备应运而生。这使得5G的高速数据传输与增强网络能力得以扩展至各类物联网应用场景。新一代物联网设备需要具备宽频调谐能力、同时保持成本效益与低功耗特性的接收器。

"这极具挑战性，因为我们不仅需考量接收器的功耗与成本，还必须应对环境中存在的多重干扰源。"阿拉伊解释道。

为缩减物联网设备的尺寸、成本与能耗，工程师无法依赖宽频设备中常见的笨重外置滤波器。

解决方案之一是采用片上电容网络滤除干扰信号，但此类网络容易受到谐波干扰这类特殊噪声的影响。

在前期研究中，麻省理工团队开发了创新型开关电容网络，可在接收链路前端精准定位谐波信号，在干扰信号被放大并转换为数字信号前完成滤除。

电路微型化突破

本研究通过将新型开关电容网络配置为负增益放大器的反馈路径，进一步拓展了该技术。该设计利用米勒效应——这种物理现象能使微型电容器产生大容量电容器的等效效果。

阿拉伊指出："这项技术突破使我们能够在无需物理大尺寸元件的情况下，满足窄带物联网的滤波要求，从而大幅缩小电路尺寸。"

该接收器的有效面积小于0.05平方毫米。

研究团队需攻克的核心难题是：如何在芯片总供电电压仅0.6伏的条件下，为开关提供足够驱动电压。

在干扰信号存在时，尤其是切换电压极低的情况下，微型开关极易发生误动作。

为此，研究人员开创性采用自举时钟技术：通过提升控制电压确保开关可靠运行，同时较传统时钟提升方法显著降低功耗与元件数量。

综合这些创新技术，新型接收器在功耗低于1毫瓦的前提下，谐波干扰抑制能力达到传统物联网接收器的30倍。

阿拉伊补充道："我们的芯片还具有超低信号泄露特性。这得益于微型开关设计，从天线逸散的信号量微乎其微。"

相较于传统设备，该接收器因体积更小且依赖开关与预充电电容器（而非复杂电子元件），制造成本更具优势。加之其宽频信号覆盖能力，可广泛应用于现有及未来的各类物联网设备。

完成原型开发后，研究团队正致力于实现接收器的无源供电方案——未来或可通过捕获环境中的Wi-Fi/蓝牙信号为芯片供能。

本研究部分经费由美国国家科学基金会支持。