超低功耗5G接收芯片抗干扰技术

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

微型5G接收器：让智能设备续航更长、适用更广

研究人员设计了一种微型接收器芯片，其对干扰的抵抗能力更强，有望实现电池寿命更长、体积更小的5G“物联网”设备。

关键要点

• 某机构科学家构建了一款微型、超高效的5G接收器，能在嘈杂的无线环境中表现出色，非常适合需要低功耗且保持可靠连接的智能手表、可穿戴设备和传感器。
• 该芯片的独特设计采用巧妙的电容开关网络，仅用不到一毫瓦的功率，就能实现比传统接收器强30倍的干扰抑制能力。
• 这项技术有望缩小并增强下一代智能设备。

完整报道

某机构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，或需要长时间持续运行的其他设备，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，消耗不到一毫瓦的静态功率，同时保护接收器放大器的输入和输出免受可能导致设备阻塞的有害无线信号干扰。

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，这些电容器通过一个微型开关网络连接。这些微小开关的开启和关闭所需功率远低于物联网接收器中常用的开关。

接收器的电容器网络和放大器经过精心安排，利用了一种放大现象，使得芯片能够使用比通常所需小得多的电容器。

“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。同时，在拥挤的无线电环境（如工厂车间或智慧城市网络）中，它们也会更加可靠。”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。

一种新标准

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，这种方法简单且成本低。

但5G移动网络的新技术规范使得功能简化、成本更低且能效更高的设备成为可能。这为5G更快的数据传输速度和更强的网络能力打开了一系列物联网应用。这些下一代物联网设备需要能在宽频率范围内调谐、同时仍具成本效益和低功耗的接收器。

“这极具挑战性，因为现在我们不仅需要考虑接收器的功耗和成本，还需要具备应对环境中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，工程师无法依赖通常在宽频率范围设备中使用的那种笨重的片外滤波器。

一种解决方案是使用片上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称为谐波干扰的特殊信号噪声的影响。

在先前的工作中，某机构研究人员开发了一种新型开关电容器网络，该网络能在接收器链路中尽早针对这些谐波信号进行滤波，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滤除。

缩小电路

在此，他们通过使用新颖的开关电容器网络作为负增益放大器中的反馈路径，扩展了这种方法。这种配置利用了米勒效应，该现象使小电容器能够表现得像大得多的电容器。

“这个技巧让我们能够在不使用物理大尺寸元件的情况下满足窄带物联网的滤波要求，从而极大地缩小了电路尺寸。”Araei说。

他们的接收器有源区面积小于0.05平方毫米。

研究人员必须克服的一个挑战是，如何在芯片总电源电压仅为0.6伏的情况下，施加足够的电压来驱动这些开关。

在存在干扰信号的情况下，如此微小的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，采用了一种称为自举时钟的特殊电路技术。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，同时比传统的时钟升压方法使用更少的功率和元件。

综合这些创新，新型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。

“我们的芯片在不会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，并且依赖于开关和预充电电容器而不是更复杂的电子器件，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，因此可以应用于当前和未来的各种物联网设备。

在开发出此原型之后，研究人员希望让接收器无需专用电源即可运行，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