MIT's tiny 5G receiver could make smart devices last longer and work anywhere | ScienceDaily
微型5G接收器：让智能设备续航更久、适用更广
关键信息
日期：2025年6月20日
来源：某机构
摘要：某机构科学家构建了一款微型、超高效的5G接收器，能够在嘈杂的无线环境中良好工作，非常适合智能手表、可穿戴设备以及需要极低功耗且保持可靠连接的传感器。该芯片独特的设计采用巧妙的电容开关网络，仅用不到一毫瓦的功耗，就能实现比典型接收器强30倍的干扰抑制能力。这项技术有望缩小并强化下一代智能设备。
完整内容
某机构的研究人员设计了一款紧凑、低功耗的5G兼容智能设备接收器，其对某类干扰的抵抗能力比某些传统无线接收器强约30倍。
这款低成本接收器非常适合电池供电的物联网设备，例如环境传感器、智能恒温器，或者其他需要长时间持续运行的设备，如健康可穿戴设备、智能摄像头或工业监控传感器。
研究人员的芯片采用无源滤波机制，静态功耗低于一毫瓦，同时保护接收器放大器的输入端和输出端免受可能导致设备阻塞的有害无线信号影响。
新方法的核心是一种新颖的预充电堆叠电容器排列结构，这些电容器通过一个微型开关网络连接。与物联网接收器中常用的开关相比，这些微型开关的开启和关闭所需功耗要低得多。
接收器的电容器网络和放大器经过精心布置，利用了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。
论文第一作者、某机构电气工程与计算机科学研究生Soroush Araei表示：“这款接收器有助于扩展物联网设备的能力。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，并且在拥挤的无线电环境（如工厂车间或智慧城市网络）中更加可靠。”
该论文的合作者包括某机构电子研究实验室的博士后Mohammad Barzgari、电气工程与计算机科学研究生Haibo Yang，以及资深作者、某机构电气工程与计算机科学系X-Window联盟职业发展助理教授、微系统技术实验室和电子研究实验室成员Negar Reiskarimian。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。其任务是检测并放大无线信号，滤除干扰，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，并使用简单的窄带滤波器抑制干扰，这种方式简单且廉价。
但5G移动网络的新技术规范使得功能精简的设备更加经济实惠且能效更高。这为物联网应用打开了利用5G更快数据速度和更强网络能力的大门。这些下一代物联网设备需要能够在宽频率范围内调谐、同时仍保持成本效益和低功耗的接收器。
Araei说：“这极具挑战性，因为我们现在不仅要考虑接收器的功耗和成本，还要考虑灵活应对环境中存在的众多干扰源。”
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用于宽频率范围设备中的 bulky 片外滤波器。
一种解决方案是使用片上电容器网络来滤除有害信号。但这些电容器网络容易受到一种称为谐波干扰的特殊信号噪声的影响。
在前期工作中，研究人员开发了一种新型开关电容器网络，能在接收器链路中尽早针对这些谐波信号，在它们被放大并转换为数字位进行处理之前将其滤除。
缩小电路
在此基础之上，他们扩展了该方法，将新型开关电容器网络用作具有负增益的放大器的反馈路径。这种配置利用了米勒效应，该效应使得小电容器能够表现得像大得多的电容器一样。
Araei说：“这一技巧使我们能够满足窄带物联网的滤波要求，而无需使用物理上庞大的元件，从而极大地缩小了电路尺寸。”
该接收器的有源面积小于0.05平方毫米。
研究人员必须克服的一个挑战是如何在保持芯片总电源电压仅为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，这些微型开关可能会错误地开启或关闭，尤其是在开关所需电压极低的情况下。
为了解决这个问题，研究人员提出了一种新颖的解决方案，使用一种称为自举时钟的专用电路技术。该方法将控制电压恰好提升到足以确保开关可靠运行的程度，同时比传统时钟升压方法使用更少的功耗和元件。
综合这些创新，新接收器的功耗低于一毫瓦，同时比传统物联网接收器多阻挡约30倍的谐波干扰。
Araei补充道：“我们的芯片在‘不污染无线电波’方面也非常安静。这是因为我们的开关非常小，所以从天线泄漏出去的信号量也非常小。”
由于该接收器比传统设备更小，并且依赖开关和预充电电容器而不是更复杂的电子元件，因此制造成本可能更低。此外，由于该接收器设计可以覆盖很宽的信号频率范围，它可以被应用于当前和未来的各种物联网设备中。
在开发出该原型之后，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，或许可以通过从环境中收集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。FINISHED
