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预充电堆叠电容器阵列，通过微型开关网络连接。这些微型开关的开启和关闭功耗远低于物联网接收器中常见的开关。

接收器的电容器网络和放大器经精心布局，利用放大过程中的特殊现象，使芯片能够使用远小于常规需求的电容器。

"该接收器有助于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进一步小型化并延长电池寿命。在工厂车间或智慧城市网络等复杂无线电环境中，其可靠性也将显著提升，"麻省理工学院电子工程与计算机科学系（EECS）研究生、接收器论文第一作者索鲁什·阿拉伊表示。

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

接收器充当物联网设备与环境的中介，其核心职能在于检测并放大无线信号，滤除干扰，最终转换为数字数据以供处理。

传统物联网接收器基于固定频率工作，通过简单的单窄带滤波器抑制干扰，具有低成本优势。

而5G移动网络的新技术规范支持开发更经济节能的低性能设备，使物联网应用得以利用5G的高速数据传输和增强网络能力。这类下一代物联网设备需要接收器具备宽频调谐能力，同时保持成本效益与低功耗特性。

"这极具挑战性，因为现在我们不仅需考虑接收器的功耗和成本，还要应对环境中大量干扰源的灵活性需求，"阿拉伊强调。

为缩减物联网设备的体积、成本和能耗，工程师无法依赖宽频设备中常见的庞大外置滤波器。

解决方案之一是采用片上电容器网络滤除杂散信号，但此类网络易受特殊信号噪声（即谐波干扰）影响。

在先前研究中，麻省理工团队开发了创新型开关电容网络，可在接收链前端精准锁定谐波信号，将其滤除后才进行放大和数模转换处理。

微型化电路

本次研究将该方案拓展应用，将新型开关电容网络作为负增益放大器的反馈路径。此配置利用米勒效应现象，使微型电容器产生等效大电容特性。

"该技术使我们在无需物理大元件的情况下满足窄带物联网的滤波需求，大幅缩小电路尺寸，"阿拉伊解释道。

该接收器的有效面积小于0.05平方毫米。

研究团队需攻克的关键挑战是：在芯片供电电压仅0.6伏条件下，如何提供足够驱动电压操作开关。

存在干扰信号时，这些微型开关易发生误动作——尤其在开关电压极低的情况下。

为此，研究人员开创性采用自举时钟技术，通过特殊电路设计将控制电压提升至确保开关可靠工作的临界值，其功耗与元件数量均低于传统时钟提升方案。

综合这些创新技术，新型接收器在功耗低于1毫瓦的同时，可阻挡的谐波干扰量达到传统物联网接收器的30倍。

"我们的芯片还具有极低信号泄漏特性。这源于微型开关设计，使天线可辐射的信号量极小，"阿拉伊补充道。

该接收器因体积小于传统设备且依赖开关/预充电电容器（而非复杂电子元件），制造成本更具优势。此外，其宽频信号覆盖能力使其适用于当前及未来的各类物联网设备。

基于现有原型，研究团队计划实现接收器无专用电源运行，可能通过采集环境中的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支持。