麻省理工学院的微型 5G 接收器可以延长智能设备的使用寿命并随时随地工作
麻省理工学院的研究人员为兼容 5G 的智能设备设计了一种紧凑、低功耗的接收器，它对某种类型的干扰的适应能力是一些传统无线接收器的 30 倍左右。 低成本接收器非常适合电池供电的物联网 （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、智能相机或工业监控传感器。 的研究人员的芯片使用无源滤波机制，该机制消耗的静态功率不到 1 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不需要的无线信号的影响。 新方法的关键是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。 与物联网接收器中通常使用的开关相比，这些微型开关的打开和关闭所需的功率要小得多。 的接收器的 capacitor network 和 amplifier 经过精心布置，以利用放大中的一种现象，允许芯片使用比通常所需的小得多的 capacitor。 “这个接收器可以帮助扩展物联网小工具的功能。 健康监测器或工业传感器等智能设备可能会变得更小，电池寿命更长。 它们在拥挤的无线电环境中也会更可靠，例如工厂车间或智能城市网络，“Soroush 说Araei 是麻省理工学院的电气工程和计算机科学 （EECS） 研究生，也是一篇关于接收器的论文的主要作者。 他与麻省理工学院电子研究实验室 （RLE） 的博士后 Mohammad Barzgari 一起发表了论文; EECS 研究生 Haibo Yang; 以及资深作者 Negar Reiskarimian，麻省理工学院 X-Window Consortium 职业发展助理教授，微系统技术实验室和 RLE 的成员。 这项研究是最近进行的在 IEEE 射频集成电路研讨会上发表。 新标准 A 接收器充当 IoT 设备与其环境之间的中介。 它的工作是检测和放大无线信号，过滤掉任何干扰，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，并使用单个窄带滤波器抑制干扰，这既简单又便宜。 但新技术5G 移动网络的规格使功能更实惠、更节能的设备成为可能。 这为一系列 IoT 应用打开了大门，以实现 5G 的更快数据速度和更强的网络功能。 这些下一代物联网设备需要能够在很宽的频率范围内调谐，同时仍然具有成本效益和低功耗的接收器。 “这是极具挑战性的，因为现在我们不仅需要考虑接收器的功率和成本，还需要考虑能够灵活地解决环境中存在的众多干扰源，“Araei 说。 为了减小 IoT 设备的尺寸、成本和功耗，工程师不能依赖笨重的片外滤波器，而这些滤波器通常用于在宽频率范围内工作的设备。 一种解决方案是使用可以过滤掉不需要的信号的片上电容器网络。 但是这些电容器网络容易受到特殊类型的信号噪声的影响，称为谐波干扰。 输入在之前的工作中，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，在不需要的信号被放大并转换为数字位进行处理之前将其过滤掉。 缩小电路 在这里，他们通过使用新颖的开关电容器网络作为负增益放大器的反馈路径来扩展该方法。 此配置利用了 Miller 效应，这是一种使小电容器的行为与大得多的电容器类似。 “这个技巧让我们可以在没有物理大型组件的情况下满足窄带物联网的滤波要求，这大大缩小了电路的尺寸，”Araei 说。 他们的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确定如何施加足够的电压来驱动开关，同时将芯片的总电源保持在仅 0.6伏。 在存在干扰信号的情况下，这种微小的开关可能会错误地打开和关闭，尤其是在开关所需的电压极低的情况下。 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 bootstrap clocking 的特殊电路技术。 这种方法将控制电压提高到刚好足以确保开关可靠运行，同时比传统 clock boosting 方法使用更少的功率和更少的组件。 齐心协力，这些创新使新型接收器的功耗低于 1 毫瓦，同时阻挡的谐波干扰是传统 IoT 接收器的 30 倍左右。 “我们的芯片也非常安静，不会污染电波。 这是因为我们的开关非常小，因此可以从天线泄漏的信号量也非常小，“Araei 补充道。 因为他们的接收器比传统设备小，并且依赖于开关和预充电电容器而不是更复杂的电子设备，制造起来可能更具成本效益。 此外，由于接收器设计可以覆盖广泛的信号频率，因此可以在各种当前和未来的物联网设备上实现。 既然他们已经开发了这个原型，研究人员希望使接收器能够在没有专用电源的情况下运行，也许是通过从环境中收集 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 （National Science Foundation） 的支持。