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环境传感器、智能恒温器等需长期连续运行的电池供电物联网（IoT）设备的理想选择，例如健康可穿戴设备、智能摄像头或工业监测传感器。

研究团队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无线信号影响。

该技术的核心在于创新性地采用了预充电堆叠电容器阵列，通过微型开关网络连接。这些微型开关的启闭功耗远低于物联网接收器中常见的传统开关。

接收器的电容网络与放大器经过精密排布，利用放大过程中的米勒效应现象，使芯片能够使用比常规需求更小的电容器。

论文第一作者、麻省理工学院电子工程与计算机科学系（EECS）研究生Soroush Araei表示："该接收器能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续航更持久，在工厂车间或智慧城市网络等无线电环境复杂的场景中也将更可靠。"

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——麻省理工学院EECS系X-Window Consortium职业发展助理教授，兼微系统技术实验室和RLE成员。该研究成果近期发表于IEEE射频集成电路研讨会。

新标准确立

接收器作为物联网设备与环境的中介，负责检测放大无线信号、滤除干扰并将其转换为可处理的数字数据。

传统物联网接收器采用固定频率工作，通过单一窄带滤波器抑制干扰，这种方式简单经济。

但5G移动网络的新技术规范支持更低成本、更高能效的减配设备，为物联网应用开启了5G高速数据传输和增强网络能力的大门。这类新一代物联网设备需要能跨广谱频率调谐且保持成本效益与低功耗的接收器。

Araei指出："这极具挑战性，因为我们不仅要考虑接收器的功耗和成本，还需应对环境中大量干扰源的灵活处理。"

为缩小设备体积、降低成本和功耗，工程师无法依赖宽频设备中常见的笨重外置滤波器。

解决方案之一是采用可滤除干扰信号的片上电容网络，但这类网络易受谐波干扰这种特殊噪声影响。

在先前研究中，麻省理工团队开发了新型开关电容网络，能在接收链前端针对谐波信号进行早期过滤，在干扰信号被放大并转换为数字信号前予以消除。

电路微型化

本次研究将该技术拓展应用，将新型开关电容网络作为负增益放大器的反馈路径。这种配置利用米勒效应，使小电容产生大电容的等效效果。

Araei解释道："这项技巧让我们在满足窄带物联网滤波需求的同时，避免了使用物理大元件，大幅缩小了电路尺寸。"

该接收器的有效面积小于0.05平方毫米。

研究团队需解决的难题是如何在芯片总供电电压仅0.6伏的情况下，为开关提供足够的驱动电压。

存在干扰信号时，这类微型开关容易误动作——特别是在切换电压极低的情况下。

为此研究人员开发了创新解决方案：采用称为"自举时钟"的特殊电路技术。这种方法将控制电压提升至刚好保证开关可靠工作的水平，相比传统时钟提升方法功耗更低、元件更少。

综合这些创新技术，新型接收器在功耗低于1毫瓦的同时，能阻挡比传统物联网接收器多30倍的谐波干扰。

Araei补充道："我们的芯片在无线电波污染控制方面表现优异。得益于微型开关设计，天线信号泄漏量也微乎其微。"

由于该接收器体积小于传统设备，且采用开关和预充电电容器替代复杂电子元件，其制造成本更具优势。加之其设计支持广谱信号频率，可适配现有及未来多种物联网设备。

完成原型开发后，研究团队下一步计划实现接收器的无源供电，可能通过采集环境中的Wi-Fi或蓝牙信号为芯片供能。

本研究部分受美国国家科学基金会资助。