MIT의 소형 5G 수신기, 스마트 기기의 수명을 늘리고 어디서나 작동 가능하게 할 수 있다

새로운 MIT 수신기는 주요 간섭을 차단하면서도 크기가 작고 전력 소모가 적어 미래 IoT 기기에 적합합니다. 출처: Shutterstock

MIT 연구진은 일부 기존 무선 수신기보다 특정 유형의 간섭에 대해 약 30배 더 강한 복원력을 갖춘 5G 호환 스마트 기기용 소형 저전력 수신기를 설계했습니다.

저렴한 수신기는 환경 센서, 스마트 온도 조절 장치 또는 건강 웨어러블, 스마트 카메라, 산업용 모니터링 센서와 같이 장시간 연속적으로 작동해야 하는 기타 장치와 같이 배터리로 구동되는 사물 인터넷(IoT) 장치에 이상적입니다.

연구자들의 칩은 수신기 증폭기의 입력과 출력을 모두 원치 않는 무선 신호로부터 보호하면서 정적 전력을 1밀리와트 미만으로 소모하는 수동 필터링 메커니즘을 사용합니다. 이 신호는 장치를 방해할 수 있습니다.

새로운 접근 방식의 핵심은 미리 충전된 적층 커패시터를 작은 스위치 네트워크로 연결하는 혁신적인 배열입니다. 이 소형 스위치는 IoT 수신기에 일반적으로 사용되는 스위치보다 켜고 끄는 데 훨씬 적은 전력이 필요합니다.

수신기의 커패시터 네트워크와 증폭기는 증폭 현상을 활용하도록 주의 깊게 배열되어 있으며, 이를 통해 칩이 일반적으로 필요한 것보다 훨씬 작은 커패시터를 사용할 수 있습니다.

"이 수신기는 IoT 기기의 기능을 확장하는 데 도움이 될 수 있습니다. 건강 모니터나 산업용 센서와 같은 스마트 기기는 더 작아지고 배터리 수명이 길어질 수 있습니다. 또한 공장이나 스마트 시티 네트워크와 같이 혼잡한 무선 환경에서도 더욱 안정적으로 작동할 수 있습니다."라고 MIT 전기공학 및 컴퓨터공학(EECS) 대학원생이자 이 수신기 논문의 주저자인 소루쉬 아라에이는 말합니다.

이 논문에는 MIT 전자연구소(RLE)의 박사후연구원인 모하마드 바르즈가리, EECS 대학원생인 하이보 양, 그리고 MIT EECS X-Window 컨소시엄 경력개발 조교수이자 마이크로시스템 기술연구소 및 RLE 회원인 네가르 라이스카리미안이 공동으로 참여했습니다. 이 연구는 최근 IEEE 무선 주파수 집적회로 심포지엄에서 발표되었습니다.

새로운 표준

수신기는 IoT 기기와 주변 환경 사이의 중개자 역할을 합니다. 수신기의 역할은 무선 신호를 감지 및 증폭하고, 간섭을 필터링한 후, 처리를 위해 디지털 데이터로 변환하는 것입니다.

전통적으로 IoT 수신기는 고정 주파수에서 작동하며 간단하고 저렴한 단일 협대역 필터를 사용하여 간섭을 억제합니다.

하지만 5G 모바일 네트워크의 새로운 기술 사양은 더 저렴하고 에너지 효율적인 저성능 기기를 가능하게 합니다. 이를 통해 다양한 IoT 애플리케이션이 5G의 빠른 데이터 속도와 향상된 네트워크 성능을 활용할 수 있게 됩니다. 이러한 차세대 IoT 기기는 비용 효율적이며 저전력을 유지하면서도 광범위한 주파수 대역에서 동조할 수 있는 수신기를 필요로 합니다.

Araei는 "이것은 매우 어려운 일입니다. 이제 우리는 수신기의 전력과 비용뿐만 아니라 환경에 존재하는 수많은 간섭 요소를 처리할 수 있는 유연성도 고려해야 하기 때문입니다."라고 말했습니다.

IoT 기기의 크기, 비용, 전력 소비를 줄이기 위해 엔지니어는 일반적으로 넓은 주파수 범위에서 작동하는 기기에 사용되는 부피가 큰 칩 외부 필터에 의존할 수 없습니다.

한 가지 해결책은 원치 않는 신호를 필터링할 수 있는 온칩 커패시터 네트워크를 사용하는 것입니다. 하지만 이러한 커패시터 네트워크는 고조파 간섭이라는 특수한 유형의 신호 잡음에 취약합니다.

MIT 연구진은 이전 연구에서 수신기 체인에서 가능한 한 일찍 이러한 고조파 신호를 표적으로 삼아 원치 않는 신호를 필터링한 후 증폭하여 디지털 비트로 변환하여 처리하는 새로운 스위치-커패시터 네트워크를 개발했습니다.

회로 축소

여기서 그들은 새로운 스위치-커패시터 네트워크를 음의 이득 증폭기의 피드백 경로로 사용하여 이러한 접근 방식을 확장했습니다. 이 구성은 작은 커패시터가 훨씬 큰 커패시터처럼 동작할 수 있게 하는 현상인 밀러 효과를 활용합니다.

Araei는 "이 기술을 사용하면 물리적으로 큰 구성 요소 없이도 협대역 IoT에 대한 필터링 요구 사항을 충족할 수 있어 회로 크기를 크게 줄일 수 있습니다."라고 말했습니다.

수신기의 활성 영역은 0.05제곱밀리미터 미만입니다.

연구자들이 극복해야 했던 과제 중 하나는 칩의 전체 전력 공급을 0.6볼트로 유지하면서 스위치를 구동할 만큼 충분한 전압을 인가하는 방법을 결정하는 것이었습니다.

간섭 신호가 존재하는 경우, 이처럼 작은 스위치는 실수로 켜지거나 꺼질 수 있습니다. 특히 스위칭에 필요한 전압이 매우 낮은 경우 더욱 그렇습니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구진은 부트스트랩 클러킹이라는 특수 회로 기술을 사용하는 새로운 해결책을 고안했습니다. 이 방법은 기존 클록 부스팅 방식보다 전력 소모와 부품 수를 줄이면서도 스위치가 안정적으로 작동할 수 있도록 제어 전압을 충분히 높입니다.

이러한 혁신을 모두 합치면, 새로운 수신기는 기존 IoT 수신기보다 약 30배 더 많은 고조파 간섭을 차단하면서도 1밀리와트 미만의 전력을 소모할 수 있습니다.

"저희 칩은 전파를 오염시키지 않아 매우 조용합니다. 이는 저희 스위치가 매우 작아서 안테나에서 누출되는 신호량도 매우 적기 때문입니다."라고 Araei는 덧붙였습니다.

이 수신기는 기존 장치보다 작고, 복잡한 전자 장치 대신 스위치와 사전 충전된 커패시터를 사용하기 때문에 제작 비용 효율성이 더 높을 수 있습니다. 또한, 수신기 설계가 광범위한 신호 주파수를 지원할 수 있으므로 현재 및 미래의 다양한 IoT 장치에 구현될 수 있습니다.

연구진은 이 프로토타입을 개발했으므로, 이제 전용 전원 공급 장치 없이도 수신기가 작동할 수 있도록 하려고 합니다. 아마도 주변 환경에서 Wi-Fi나 블루투스 신호를 수집하여 칩에 전력을 공급하는 방법이 있을 것입니다.

이 연구는 일부적으로 미국 국립과학재단의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250620064909.htm