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

这种低成本接收器将成为电池供电物联网(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，静态功耗不到一毫瓦，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。

该新方法的核心在于创新的预充电堆叠电容器排列结构，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耗远低于物联网接收器中常用的开关。

接收器的电容网络和放大器经过精心排布，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。

"该接收器可拓展物联网设备的应用能力。健康监测器或工业传感器等智能设备有望实现更小尺寸和更长电池寿命，在工厂车间或智慧城市网络等无线信号密集环境中也将更可靠。"麻省理工学院电气工程与计算机科学系(EECS)研究生、该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，负责检测和放大无线信号、滤除干扰，并将其转换为数字数据以供处理。

传统物联网接收器在固定频率下运行，采用单一窄带滤波器抑制干扰，结构简单且成本低廉。

但5G移动网络的新技术规范支持降低性能的低成本高能效设备，这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。下一代物联网设备需要能在宽频率范围内调谐，同时保持成本效益和低功耗的接收器。

"这极具挑战性，因为设计时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性。"阿拉伊解释道。

为缩小物联网设备尺寸、降低成本和功耗，工程师无法依赖传统宽频设备中使用的大体积片外滤波器。

解决方案之一是采用可滤除干扰信号的片上电容网络。但这些电容网络易受特殊信号噪声（即谐波干扰）的影响。

在先前研究中，该团队开发了新型开关电容网络，可在接收链早期针对谐波信号进行过滤，在干扰信号被放大并转换为数字位之前将其消除。

电路微型化

本次研究通过将新型开关电容网络作为负增益放大器的反馈路径，扩展了该技术方案。这种配置利用米勒效应现象，使微型电容器产生大电容的等效效果。

"这项技术让我们能够在不使用大体积元件的情况下满足窄带物联网的滤波需求，从而大幅缩小电路尺寸。"阿拉伊指出。

该接收器的有效面积小于0.05平方毫米。

研究人员需克服的关键挑战是：如何在芯片总供电电压仅0.6伏的情况下，为开关提供足够驱动电压。

存在干扰信号时，微型开关易发生误动作，尤其在开关电压极低的情况下。

为此团队开发了创新解决方案——采用名为"时钟自举技术"的特殊电路技术。该方法将控制电压提升至确保开关可靠工作的最低阈值，比传统时钟提升技术功耗更低且元件更少。

综合这些创新，新接收器在功耗不到一毫瓦的同时，能阻断比传统物联网接收器强30倍的谐波干扰。

"我们的芯片还具有低辐射特性——由于开关尺寸微小，天线可能泄漏的信号量也极小。"阿拉伊补充道。

该接收器比传统设备更小，且依赖开关和预充电电容器而非复杂电子元件，制造成本更低。因其设计覆盖宽信号频率范围，可广泛应用于现有及未来的物联网设备。

完成原型开发后，研究人员计划实现接收器的无源供电，可能通过捕获环境中的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。