功耗不到1mW毫米级蓝牙低功耗发射器问世，不换电池连续工作11年

照片来源：密歇根大学

蓝牙发射器芯片（lavender，右边第二个）连接到磁性单极天线（绿色，最右侧），作为发射器谐振器电路的组成部分。电路板的左半部分仅用于测试目的。

Teeny-Tiny蓝牙发射器运行不到1毫瓦

蓝牙低功耗数据包现在可以通过毫米级物联网发射器传送

作者：Samuel K. Moore

你现在可能正徜徉在蓝牙无线电信号中。但这些都不是来自物联网最小、功耗最低的一端。这些电池供电和能量采集毫米级传感器可以使用多年而无需更换，但是他们的发射器无法集中使用即使是最低能耗版本的蓝牙进行通信所需的能量，称为蓝牙低功耗（BLE） 。

密歇根大学的工程师现在已经设计制作了第一个称为BLE的毫米级独立设备。在传输过程中仅消耗0.6毫瓦，它将使用典型的5.8毫米纽扣电池可连续工作11年。这种毫米级BLE发射器将允许这些蚂蚁大小的传感器与普通设备，甚至是智能手机进行通信。

上个月在IEEE国际固态电路会议上首次亮相的发射机芯片必须解决两个问题，负责该研究的密歇根大学副教授大卫·温兹洛夫解释道。第一个是功耗，第二个是天线的大小。“天线的大小通常是基于物理的，你不能欺骗物理学，”Wentzloff说。该小组的解决方案涉及两个问题。

普通的发射机电路需要一个可调谐的RF振荡器来产生频率，一个功率放大器来增强其幅度，一个天线来辐射信号。密歇根州的团队将振荡器和天线结合在一起，使放大器变得不必要。他们称他们的发明为功率振荡器。

振荡器的关键部分是谐振回路电路：电感器和电容器。能量在电感器的磁场和电容器的电场之间来回晃动，谐振频率由电容和电感决定。在新电路中，该团队将天线本身用作谐振回路中的电感器。因为它充当电感器，所以天线使用变化的磁场而不是电场辐射;这意味着它可以更紧凑。

图像来自：密歇根大学

蓝牙发射器电源中集成的变压器[八角形，左下角]提高了效率。芯片的有效区域仅占0.5 平方毫米。

但是，尺寸不是唯一的。“最大的优势在于天线是比片上电感器更高质量因数的电感器，”Wentzloff说。Q值基本上表示谐振器的效率。作为一个14毫米长的导体环，天线比毫米级发射器的芯片上电感器大得多。这导致Q值约为芯片上电感器的五倍。

虽然它是一种更有效的解决方案，但为了满足BLE规范，该团队需要一种更好的方法来为功率振荡器供电。他们的解决方案是在为其供电的电路中构建片上变压器。变压器看起来像两个嵌套线圈。一个线圈连接到振荡器电路的电源电压端，另一个线圈连接到接地侧。Wentzloff说，以比功率放大器两倍的频率泵送变压器有效地增强了天线的功率流。

通过广播BLE“广告”数据包来测试新发射机 - 一组比特告诉接收设备发射机在那里。 “如果你想制造一个毫米级的跟踪器设备，这就是你所需要的，”Wentzloff说。但广告包的有效载荷部分最多可达31个字节，非常适合打包传感器数据。

该研究是密歇根大学M3项目的一部分，该项目正在开发模块化，毫米级传感器。 Wentzloff说，下一步是将BLE无线电集成到其中一个传感器中。 “我们在M3项目中使用了多个发射器，”他说。 “BLE将是该模块化平台的另一种选择。”

source: spectrum.ieee.org