MIT研发的微型太赫兹接收器可长时间保护物联网设备的电池续航能力

JOSE-LUIS OLIVARES/MIT

无线频谱的太赫兹区域是电磁频谱中一个非常令人抓狂的部分，它有时被称为无线电信号和光学信号频率之间的“死区（dead zone）”。频段（300千兆赫到30太赫兹）有其吸引人的特性，但其令人生畏的物理特性在历史上使其难以用于实际应用。

然而，该区域对研究人员仍然很有吸引力，近年来出现了一系列新的应用。其中最新的是麻省理工学院工程师设计的超小型太赫兹唤醒接收器芯片。该接收器只需要几微瓦的功率，并包括一个低功耗身份验证系统，使其免受拒绝睡眠攻击。

麻省理工学院电气工程和计算机科学系的研究生Eunseok Lee表示，随着小型物联网设备的激增，唤醒接收器在今天变得越来越重要。Lee和麻省理工学院的其他研究人员在4月于圣安东尼奥举行的2023 IEEE Custom Integrated Circuits Conference上发表了一篇关于他们研究的论文（https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/150157/Lee-eunseok-SM-EECS-2022-thesis.pdf?sequence=1&isAllowed=y）。Lee在Terahertz Integrated Electronics Group工作，该集团目前正在使用太赫兹频率开发超小型平台。Lee说：“我们想为这些频率找到[不同的]应用……并认为它们也是超小型传感平台的一个很好的备选者。”

唤醒接收器使电子设备保持休眠状态，直到需要为止。“想想你的手机，”Lee说，“如果它一直打开常亮，它会消耗大量的电力，对吧？所以唤醒接收器所做的就是将电子设备保持在非常低的功率模式，直到我们向接收器发送信号，使其能够激活整个系统。” 换句话说，微小的接收器可以保持非常小的物联网设备的电池寿命，这些设备的电池容量有限。

与所有天线一样，用于唤醒接收器的天线需要与它们接收的波长大小成比例。大多数传统的唤醒接收器使用Wi-Fi或蓝牙，频率约为2.4 GHz，波长约为12.5厘米。这就要求现有的接收器也要建立在厘米级上。Lee说：“然而，如果我们将载波频率提高到几十或几百吉赫兹，其波长也会减少，这有助于减小天线尺寸，使其能够安装在非常小的毫米级传感平台上。”

麻省理工学院的研究人员建造了他们的接收器，以在太赫兹频率上进行通信，太赫兹频率对应于1到0.03毫米之间的波长。他们的接收器芯片是1.54mm²，使用的功率不到3微瓦。Lee说：“我们证明，我们的接收器可以支持5到10米的通信，功耗为微瓦。”

太赫兹波有时也被称为铅笔束，因为它们在给定距离内的散射比无线电波少。这使得太赫兹波更安全，但在高频下，它们也不能传播很远。通常，太赫兹信号与另一个信号相乘，以改变其频率并帮助其传播，但这种混合使用了大量功率。Lee说：“由于传感器上的电池非常小，我们的电力预算有限，我们所做的就是使用太赫兹自混合。” 该团队使用一对微小的晶体管作为探测器的天线，并以微不足道的电力成本混合了两个太赫兹频率。

Lee表示：“我们还在太赫兹接收器内部部署了唤醒认证电路。” 他说，虽然有许多用于唤醒接收器的安全协议，但在集成电路领域，以前没有人试图开发唤醒认证系统。该系统可防止拒绝睡眠攻击，即攻击者试图反复激活设备以耗尽电池电量。麻省理工学院的团队使用了一种算法，使用与可信发送者共享的密钥来随机化设备的令牌。他们采用了一种名为轻量级密码学的技术来结合令牌随机化，这只消耗了几毫瓦的功率。

微型太赫兹唤醒接收器的潜在应用包括将其安装在监测对人类来说太小或太不安全的区域的微型基站内，可以不引人注目地部署传感器的室内安全应用，以及在机器人群中收集本地化数据。Lee补充道：“目前，我们也在研究使用太赫兹波的采集平台，以及唤醒接收器的角度灵敏度。”他们还希望能够对太赫兹技术进行微调，以供现实世界使用。