MIT超小型5G物联网接收器 省钱省电又抗干扰

随着众人对生活用品的智能化需求不断增加，5G物联网（IoT）设备的升级成为焦点。为此，美国麻省理工学院（MIT）研发一款兼容5G物联网设备的接收器。它不仅功耗和成本更低，其抗干扰能力比传统无线接收器强30倍。

由于传统物联网接收器采用单一窄带滤波器抑制干扰，结构简单且成本低廉。不过，如果要使用5G技术在联网接收器上，就会受限于旧有的设备，影响其性能发挥，且难以实现低成本与节能运作。

MIT研究团队针对5G物联网设备，设计了一款新晶片（芯片，下同）与接收器，让5G物联网设备的体积更小、价格更低且更节能的方式运作，同时具备更广泛的信号宽频范围。该研究成果于6月中旬在电机电子工程师学会（IEEE）射频积体电路的研讨会上发表。

新研发的接收器有效面积小于0.05平方毫米，且新晶片仅需0.6伏特（V）的低电压即可正常运作，其关键在于新晶片采用被动滤波机制，使静态功耗只有1毫瓦（千分之一瓦）。这种方法不仅让新设备更节能，还能保护里面的放大器在输入与输出端上，免受其它设备或无线讯号的干扰。

当时研究人员为了降低5G物联网设备的尺寸、成本和功耗，选择放弃传统物联网设备中笨重的片外滤波器，改用MIT研究人员先前开发的“开关电容器网络”，以此解决这些问题。

他们使用新开发的“开关电容网络”，作为负增益放大器（一种增强弱电信号强度的电子元件）的回授路径，使小电容器（物体存储电荷的能力）能够发挥大电容器的作用，同时滤掉不必要的讯号。另外，这种方法不仅降低设备受到干扰，还减少设备受到干扰时会增加耗电量的问题。

研究人员还采用“自举时脉”（bootstrap clocking）的特殊电路技术，取代传统的时脉技术，让接收器可以精准的控制电压升降，确保开关能够稳定的运行。

新晶片的关键核心技术是使用新颖的“预充电堆叠式电容器”，透过微型开关与网络连接，当晶片接收到讯号时电容器会充电，关闭后保存电荷以供后续的资料处理。这种机制让晶片在开启和关闭时，显着降低开关启闭的功率消耗，使晶片体积远小于传统接收器。

研究人员表示，这些优点让新的5G物联网设备，无需大量电子元件和设备，即可用更低的成本、更节能的方式运作。同时为一系列物联网应用，带来了更好的数据速度和网络能力，未来有望用于各种的物联网设备。

研究人员解释，这种低成本接收器非常适合用于电池供电的物联网设备上。例如：环境感测器、智慧恒温器、穿戴式健康设备、智慧相机、工业监控感测器，或者其它需要长时间连续运作的设备上。

目前，他们已经开发出原型，未来计划透过采集环境中的Wi-Fi或蓝牙（Bluetooth）讯号为整个晶片和设备供电，让设备能够在没有专用电源（电池或能源）的情况下运行。

MIT电气工程与电脑科学（EECS）研究生、该接收器论文的主要作者索鲁什·阿拉伊（Soroush Araei）对该校新闻室说道，“这款接收器让健康监测器、工业感测器等智慧设备更小巧，电池寿命更长。”

阿拉伊补充道，“它们还可以在工厂车间、智慧城市网络等复杂无线电环境中，变得更可靠。另外，新开发的晶片在运行时，非常安静且不会污染无线电波。原因是设置的开关极小，因此天线讯号泄漏少，不易干扰无线电波讯号。”

阿拉伊还表示，设计一款优秀的5G物联网接收器极具挑战性，“我们不仅需要考虑接收器的功率、成本，还需考虑是否能灵活的应对环境干扰。”

这项研究得到了美国国家科学基金会（NSF）的部分支持。