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

这种低成本接收器将是电池供电的物联网（IoT）设备（如环境传感器、智能恒温器）或其他需要长时间连续运行的设备（如健康可穿戴设备、智能摄像头或工业监测传感器）的理想选择。

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。与传统物联网接收器相比，这些微型开关在开启和关闭时所需的功率要小得多。

接收器的电容器网络和放大器经过精心布置，以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。

"这种接收器有助于扩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，电池寿命更长。在拥挤的无线电环境中（如工厂车间或智慧城市网络），它们也将更加可靠，"麻省理工学院电气工程与计算机科学系（EECS）研究生、一篇关于该接收器的论文的主要作者索鲁什·阿拉埃（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）博士后穆罕默德·巴兹加里（Mohammad Bargzari）、EECS研究生杨海波（Haibo Yang）以及资深作者妮加尔·莱斯卡里米安（Negar Reiskarimian）——麻省理工学院EECS系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支持更具成本效益和能效的"降低能力设备"。这使得众多物联网应用能够利用5G更快的数据速度和增强的网络能力。这些下一代物联网设备需要能够在宽频率范围内调谐，同时仍保持成本效益和低功耗的接收器。

"这极具挑战性，因为我们现在不仅需要考虑接收器的功耗和成本，还需要考虑应对环境中大量干扰源的灵活性，"阿拉埃指出。

为减小物联网设备的尺寸、成本和功耗，工程师无法依赖通常在宽频设备中使用的大体积片外滤波器。

一种解决方案是使用片内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的信号噪声——谐波干扰的影响。

在先前的研究中，麻省理工学院的团队开发了一种新型开关电容网络，该网络可在接收链的最早期阶段锁定这些谐波信号，在干扰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

此次，他们将该方法扩展，将新型开关电容网络用作具有负增益放大器的反馈路径。这种配置利用了米勒效应（Miller effect）——一种使小电容器表现出类似大电容器特性的现象。

"这一技巧让我们无需物理大尺寸元件即可满足窄带物联网的滤波要求，从而大幅缩小电路尺寸，"阿拉埃解释道。

该接收器的有效面积小于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伏特的同时，提供足够的电压驱动开关。

在干扰信号存在时，如此微小的开关可能发生误开关，尤其是在所需开关电压极低的情况下。

为解决这一问题，研究人员提出了一种新颖方案，采用名为"自举时钟技术"（bootstrap clocking）的特殊电路技术。该方法将控制电压提升至刚好足以确保开关可靠运行的程度，同时比传统时钟提升方法功耗更低、元件更少。

综合这些创新，新型接收器功耗低于1毫瓦，却能阻挡比传统物联网接收器多约30倍的谐波干扰。

"我们的芯片在'不污染空气电波'方面也非常出色。这源于我们的开关极其微小，因此天线可能泄漏的信号量也非常小，"阿拉埃补充道。

由于该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优势。此外，由于接收器设计可覆盖广泛的信号频率范围，它可应用于多种现有及未来的物联网设备。

在完成此原型开发后，研究人员希望实现接收器无需专用电源运行，或许可通过从环境中收集Wi-Fi或蓝牙信号为芯片供电。

这项研究得到了美国国家科学基金会的部分资助。