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，或需要长期连续运行的其他设备（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。

该新方法的核心在于创新性地采用了预充电堆叠电容器阵列，这些电容器通过微型开关网络连接。这些微型开关的开启与关闭所需功耗远低于物联网接收器中常用的开关。

接收器的电容网络和放大器经过精密排布，利用放大过程中的特殊现象，使芯片能够使用比常规需求更小的电容器。

"这款接收器将拓展物联网设备的功能。健康监测器或工业传感器等智能设备可以变得更小巧且电池寿命更长。在无线电环境复杂的场所（如工厂车间或智慧城市网络），它们也将具有更高的可靠性，"麻省理工学院电子工程与计算机科学系（EECS）研究生、该接收器论文第一作者索罗什·阿拉伊表示。

论文合著者包括麻省理工学院研究实验室（RLE）博士后穆罕默德·巴兹加里、EECS研究生杨海波，以及资深作者内加尔·雷斯克里米安——麻省理工学院EECS系X-Window Consortium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

接收器充当物联网设备与环境的中介，其核心功能是检测并放大无线信号，滤除干扰，再将其转换为数字数据进行处理。

传统物联网接收器在固定频率下运行，通过单一窄带滤波器抑制干扰，这种方式结构简单且成本低廉。

但5G移动网络的新技术规范支持开发更经济节能的减配设备。这使得5G的高速数据传输和增强网络能力可应用于更广泛的物联网场景。这类新一代物联网设备需要接收器能在宽频率范围内调谐，同时保持成本效益和低功耗特性。

"这极具挑战性，因为现在我们不仅需要考虑接收器的功耗和成本，还必须应对环境中大量干扰源的灵活性需求，"阿拉伊解释道。

为缩减物联网设备的体积、成本和能耗，工程师无法依赖传统宽频设备中使用的笨重外置滤波器。

一种解决方案是采用片内电容网络滤除杂散信号。但这类电容网络易受特殊信号噪声（即谐波干扰）的影响。

在前期研究中，麻省理工学院团队开发了创新型开关电容网络，可在接收链前端精准拦截谐波信号，在干扰信号被放大并转换为数字位之前将其滤除。

微型化电路

本研究通过将新型开关电容网络作为负增益放大器的反馈路径，对该技术进行了延伸。这种构型利用米勒效应现象，使微型电容器表现出大容量电容的特性。

"该技巧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，从而大幅缩小电路面积，"阿拉伊指出。

该接收器有效面积小于0.05平方毫米。

研究人员需攻克的关键难题是：如何在芯片总供电电压仅0.6伏特条件下，为开关驱动提供足够电压。

存在干扰信号时，特别是当开关所需电压极低时，微型开关易发生误动作。

针对此问题，团队创新性地采用特殊电路技术——自举时钟技术。该方法将控制电压提升至确保开关可靠工作的最低阈值，其功耗和元件数量均低于传统时钟升压方案。

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

"我们的芯片还具有极高的信号纯净度。这得益于微型开关设计，天线信号泄漏量极低，"阿拉伊补充道。

由于该接收器体积小于传统设备，且依赖开关与预充电电容器而非复杂电子元件，其制造成本更具优势。此外，因接收器设计可覆盖宽频信号范围，适用于当前及未来的各类物联网设备。

完成原型开发后，研究团队计划实现接收器无专用电源运行，可能通过捕获环境中的Wi-Fi或蓝牙信号为芯片供电。

本研究部分经费由美国国家科学基金会提供。