Los investigadores del MIT han diseñado un receptor compacto y de baja potencia para dispositivos inteligentes compatibles con 5G que es aproximadamente 30 veces más resistente a cierto tipo de interferencia que algunos receptores inalámbricos tradicionales.
El receptor de bajo costo sería ideal para dispositivos de Internet de las cosas (IoT) que funcionan con baterías, como sensores ambientales, termostatos inteligentes u otros dispositivos que necesitan funcionar continuamente durante mucho tiempo, como dispositivos portátiles de salud, cámaras inteligentes o sensores de monitoreo industrial.
El chip de los investigadores utiliza un mecanismo de filtrado pasivo que consume menos de un milivatio de energía estática y al mismo tiempo protege tanto la entrada como la salida del amplificador del receptor de señales inalámbricas no deseadas que podrían bloquear el dispositivo.
La clave del nuevo enfoque es una nueva disposición de condensadores apilados precargados, que están conectados por una red de pequeños interruptores. Estos minúsculos interruptores necesitan mucha menos energía para encenderse y apagarse que los que se utilizan normalmente en los receptores de IoT.
La red de condensadores y el amplificador del receptor están cuidadosamente dispuestos para aprovechar un fenómeno de amplificación que permite que el chip utilice condensadores mucho más pequeños de los que normalmente serían necesarios.
“Este receptor podría ayudar a ampliar las capacidades de los dispositivos de IoT. Los dispositivos inteligentes como los monitores de salud o los sensores industriales podrían volverse más pequeños y tener una duración de batería más larga. También serían más confiables en entornos de radio abarrotados, como plantas de fábrica o redes de ciudades inteligentes”, dice Soroush Araei, estudiante graduado en ingeniería eléctrica e informática (EECS) en el MIT y autor principal de un papel en el receptor.
En el artículo lo acompañan Mohammad Barzgari, postdoctorado en el Laboratorio de Investigación en Electrónica (RLE) del MIT; Haibo Yang, estudiante de posgrado de EECS; y el autor principal Negar Reiskarimian, profesor asistente de desarrollo profesional del X-Window Consortium en EECS en el MIT y miembro de Microsystems Technology Laboratories y RLE. La investigación se presentó recientemente en el Simposio de circuitos integrados de radiofrecuencia del IEEE.
Un nuevo estándar
Un receptor actúa como intermediario entre un dispositivo IoT y su entorno. Su trabajo es detectar y amplificar una señal inalámbrica, filtrar cualquier interferencia y luego convertirla en datos digitales para su procesamiento.
Tradicionalmente, los receptores de IoT funcionan en frecuencias fijas y suprimen las interferencias mediante un único filtro de banda estrecha, que es sencillo y económico.
Pero las nuevas especificaciones técnicas de la red móvil 5G permiten dispositivos de capacidad reducida que son más asequibles y energéticamente eficientes. Esto abre una gama de aplicaciones de IoT a velocidades de datos más rápidas y una mayor capacidad de red de 5G. Estos dispositivos IoT de próxima generación necesitan receptores que puedan sintonizar una amplia gama de frecuencias sin dejar de ser rentables y de bajo consumo.
“Esto es un gran desafío porque ahora no solo debemos pensar en la potencia y el costo del receptor, sino también en la flexibilidad para abordar las numerosas interferencias que existen en el medio ambiente”, dice Araei.
Para reducir el tamaño, el costo y el consumo de energía de un dispositivo IoT, los ingenieros no pueden confiar en los voluminosos filtros fuera del chip que normalmente se usan en dispositivos que operan en un amplio rango de frecuencia.
Una solución es utilizar una red de condensadores en chip que puedan filtrar señales no deseadas. Pero estas redes de condensadores son propensas a sufrir un tipo especial de ruido de señal conocido como interferencia armónica.
En trabajo previo, los investigadores del MIT desarrollaron una nueva red de interruptor-condensador que apunta a estas señales armónicas lo más temprano posible en la cadena del receptor, filtrando señales no deseadas antes de que sean amplificadas y convertidas en bits digitales para su procesamiento.
Reduciendo el circuito
En este caso, ampliaron ese enfoque utilizando la novedosa red de interruptor-condensador como ruta de retroalimentación en un amplificador con ganancia negativa. Esta configuración aprovecha el efecto Miller, un fenómeno que permite que los condensadores pequeños se comporten como otros mucho más grandes.
“Este truco nos permite cumplir con los requisitos de filtrado para IoT de banda estrecha sin componentes físicamente grandes, lo que reduce drásticamente el tamaño del circuito”, afirma Araei.
Su receptor tiene un área activa de menos de 0,05 milímetros cuadrados.
Un desafío que los investigadores tuvieron que superar fue determinar cómo aplicar suficiente voltaje para accionar los interruptores manteniendo el suministro de energía general del chip en solo 0,6 voltios.
En presencia de señales de interferencia, estos pequeños interruptores pueden encenderse y apagarse por error, especialmente si el voltaje requerido para la conmutación es extremadamente bajo.
Para abordar esto, los investigadores idearon una solución novedosa, utilizando una técnica de circuito especial llamada sincronización de arranque. Este método aumenta el voltaje de control lo suficiente para garantizar que los interruptores funcionen de manera confiable mientras usan menos energía y menos componentes que los métodos tradicionales de refuerzo de reloj.
En conjunto, estas innovaciones permiten que el nuevo receptor consuma menos de un milivatio de energía y al mismo tiempo bloquee aproximadamente 30 veces más interferencias armónicas que los receptores de IoT tradicionales.
“Nuestro chip también es muy silencioso, en términos de no contaminar las ondas de radio. Esto se debe al hecho de que nuestros interruptores son muy pequeños, por lo que la cantidad de señal que puede escaparse de la antena también es muy pequeña”, añade Araei.
Debido a que su receptor es más pequeño que los dispositivos tradicionales y depende de interruptores y condensadores precargados en lugar de componentes electrónicos más complejos, su fabricación podría ser más rentable. Además, dado que el diseño del receptor puede cubrir una amplia gama de frecuencias de señal, podría implementarse en una variedad de dispositivos IoT actuales y futuros.
Ahora que han desarrollado este prototipo, los investigadores quieren permitir que el receptor funcione sin una fuente de alimentación dedicada, quizás recolectando señales de Wi-Fi o Bluetooth del entorno para alimentar el chip.
Esta investigación cuenta con el apoyo, en parte, de la Fundación Nacional de Ciencias.
Publicado originalmente en news.mit.edu el 17 de junio de 2025.
Ver fuente original
