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

这款低成本接收器将是电池供电物联网（IoT）设备的理想选择，例如环境传感器、智能恒温器，或其他需要长期连续运行的设备，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被动滤波机制，静态功耗不到一毫瓦，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。

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。这些微小开关的开关功耗远低于物联网接收器中通常使用的开关。

接收器的电容器网络和放大器经过精心布置，利用放大过程中的一种现象，使芯片能够使用比通常所需小得多的电容器。

“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、电池寿命更长。在拥挤的无线电环境中，例如工厂车间或智慧城市网络，它们也会更加可靠，”麻省理工学院（MIT）电气工程与计算机科学系（EECS）研究生、该接收器论文的主要作者Soroush Araei表示。

论文合著者包括：麻省理工学院电子研究实验室（RLE）博士后Mohammad Barzgari；EECS研究生Haibo Yang；以及资深作者Negar Reiskarimian，她是MIT EECS系的X-Window联盟职业发展助理教授，同时也是微系统技术实验室和RLE的成员。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，物联网接收器在固定频率上运行，并使用单一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使得能力受限的设备更加经济实惠且能效更高。这为更快的5G数据速度和增强的网络能力开辟了一系列物联网应用。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，同时仍保持成本效益和低功耗。

“这极具挑战性，因为我们现在不仅需要考虑接收器的功率和成本，还需要考虑灵活性以应对环境中存在的众多干扰源，”Araei说道。

为减小物联网设备的尺寸、成本和功耗，工程师无法依赖在宽频率范围运行的设备中通常使用的笨重片外滤波器。

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。

在先前的工作中，麻省理工学院的研究人员开发了一种新型开关电容器网络，该网络在接收器链中尽早针对这些谐波信号，在不需要的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

在此项研究中，他们拓展了该方法，将此新型开关电容器网络用作具有负增益的放大器的反馈路径。这种配置利用了密勒效应（Miller effect），该现象能使小电容表现得像大电容。

“这个技巧让我们能够在无需物理大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，”Araei说道。

他们的接收器有效面积小于0.05平方毫米。

研究人员必须克服的一个挑战是：如何在将芯片整体供电电压保持在仅0.6伏的同时，施加足够的电压来驱动开关。

在存在干扰信号的情况下，尤其是在开关所需电压极低的情况下，此类微小开关可能会错误地开关。

为了解决这个问题，研究人员想出了一个新颖的解决方案，使用一种称为自举时钟（bootstrap clocking）的特殊电路技术。该方法将控制电压提升到刚好足以确保开关可靠运行的程度，同时比传统的时钟提升方法功耗更低、组件更少。

综合来看，这些创新使新型接收器功耗不到一毫瓦，同时阻挡的谐波干扰大约是传统物联网接收器的30倍。

“我们的芯片在污染无线电波方面也非常‘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非常小，”Araei补充道。

由于他们的接收器比传统设备更小，并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效益。此外，由于该接收器设计可覆盖宽范围的信号频率，因此可以应用于各种当前和未来的物联网设备。

在开发出该原型后，研究人员希望使接收器无需专用电源即可运行，或许可以通过收集环境中的Wi-Fi或蓝牙信号来为芯片供电。

这项研究得到了美国国家科学基金会的部分支持。