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一种无源滤波机制，其静态功耗小于一毫瓦，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。

这一新方法的关键在于一种新颖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。这些微小开关开启和关闭所需的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，使得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。在无线电环境拥挤的场所，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系（EECS）研究生、一篇关于该接收器的论文的主要作者 Soroush Araei 说道。

论文的合作者包括：麻省理工学院电子学研究实验室（RLE）博士后 Mohammad Barzgari；EECS 研究生 Haibo Yang；以及资深作者 Negar Reiskarimian，她是麻省理工学院 EECS 系 X-Window Consortium 职业发展助理教授，同时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（IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium）上发布。

新标准

接收器充当物联网设备与其环境之间的中介。其工作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，这种方法简单且成本低廉。

但 5G 移动网络的新技术规范支持性能降低的终端设备，这些设备更经济且更节能。这使得一系列物联网应用能够利用 5G 更快的传输速度和增强的网络能力。这些下一代物联网设备需要接收器能够在宽广的频率范围内调谐，同时仍具有成本效益和低功耗。

“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，”Araei 说。

为了减小物联网设备的尺寸、成本和功耗，工程师不能依赖通常用于宽频段运行设备的笨重片外滤波器。

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类型的信号噪声，即谐波干扰的影响。

在先前的工作中，麻省理工学院的研究人员开发了一种新型开关电容器网络，旨在接收器链路的早期阶段就针对这些谐波信号，在不需要的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），该现象使得小电容器能表现出大得多的电容特性。

“这个技巧让我们能够满足窄带物联网的滤波要求，而无需物理上庞大的元件，从而大幅缩小了电路的尺寸，”Araei 解释说。

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是：如何在芯片整体电源电压仅为0.6伏的情况下，提供足够的电压来驱动开关。

在存在干扰信号的情况下，尤其是当切换所需电压极低时，这些微小开关可能发生错误开关。

为解决此问题，研究人员提出了一种新颖的解决方案，使用一种名为引导时钟技术（bootstrap clocking）的特殊电路技术。该方法略微提升控制电压，刚好足够确保开关可靠运行，同时比传统的时钟提升方法功耗更低、元件更少。

综上所述，这些创新使新型接收器功耗低于一毫瓦，同时阻挡的谐波干扰量是传统物联网接收器的约30倍。

“我们的芯片在无线信号污染方面也非常‘安静’。这源于我们的开关非常小，因此可能从天线泄漏出去的信号量也非常小，”Araei 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，因此制造成本效益可能更高。此外，由于该接收器设计可覆盖宽广的信号频率范围，因此可应用于各种当前和未来的物联网设备。

在开发出此原型之后，研究人员希望让接收器能够在没有专用电源的情况下运行，或许可以通过采集环境中的Wi-Fi或蓝牙信号来为芯片供电。

该研究部分得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation）的支持。