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。

研究人员的芯片采用无源滤波机制，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干扰设备的无用无线信号影响。

该新方法的关键在于一种新颖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。这些微型开关的开启和关闭所需功率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，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。

"这款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（MIT）电气工程与计算机科学（EECS）研究生、一篇关于该接收器的论文的主要作者索鲁什·阿拉伊（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·巴尔兹加里（Mohammad Barzgari）、EECS研究生杨海波（Haibo Yang）以及资深作者内加尔·雷斯卡拉米安（Negar Reiskarimian）——她是麻省理工学院EECS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支持能力降低但更经济、更节能的设备。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能够在宽频率范围内调谐、同时仍具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存在的众多干扰源的灵活性，"阿拉伊说。

为了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率范围运行的设备中使用的大体积片外滤波器。

一种解决方案是使用能够滤除无用信号的片上电容器网络。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颖的开关电容器网络，该网络在接收器链中尽早针对这些谐波信号，在无用信号被放大并转换为数字比特进行处理之前将其滤除。

缩小电路

在此，他们扩展了该方法，将这种新颖的开关电容器网络用作负增益放大器的反馈路径。这种配置利用了米勒效应（Miller effect）——一种使小电容器能表现出大电容器特性的现象。

"这个技巧使我们能够满足窄带物联网的滤波要求，而无需物理大尺寸元件，从而大幅缩小电路面积，"阿拉伊说。

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>

研究人员必须克服的一个挑战是：如何在将芯片整体电源电压保持在仅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，特别是当开关所需电压极低时，这些微型开关可能会错误地开启和关闭。

为了解决这个问题，研究人员提出了一种新颖的解决方案，使用了一种称为自举时钟技术（bootstrap clocking）的特殊电路技术。该方法将控制电压提升到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，同时阻断的谐波干扰量约为传统物联网接收器的30倍。

"我们的芯片在避免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，"阿拉伊补充道。

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，因此制造成本可能更具效益。此外，由于该接收器设计可覆盖广泛的信号频率范围，因此可应用于各种当前和未来的物联网设备。

在开发出此原型后，研究人员希望使接收器能够在无需专用电源的情况下运行，或许通过从环境中收集Wi-Fi或蓝牙信号来为芯片供电。

这项研究部分得到了美国国家科学基金会的支持。

Story Source:

Materialsprovided byMassachusetts Institute of Technology. Original written by Adam Zewe.Note: Content may be edited for style and length.