功耗不到1mW毫米級藍牙低功耗發射器問世，不換電池連續工作11年

照片來源：密歇根大學

藍牙發射器晶元（lavender，右邊第二個）連接到磁性單極天線（綠色，最右側），作為發射器諧振器電路的組成部分。電路板的左半部分僅用於測試目的。

Teeny-Tiny藍牙發射器運行不到1毫瓦

藍牙低功耗數據包現在可以通過毫米級物聯網發射器傳送

作者：Samuel K. Moore

你現在可能正徜徉在藍牙無線電信號中。但這些都不是來自物聯網最小、功耗最低的一端。這些電池供電和能量採集毫米級感測器可以使用多年而無需更換，但是他們的發射器無法集中使用即使是最低能耗版本的藍牙進行通信所需的能量，稱為藍牙低功耗（BLE） 。

密歇根大學的工程師現在已經設計製作了第一個稱為BLE的毫米級獨立設備。在傳輸過程中僅消耗0.6毫瓦，它將使用典型的5.8毫米紐扣電池可連續工作11年。這種毫米級BLE發射器將允許這些螞蟻大小的感測器與普通設備，甚至是智能手機進行通信。

上個月在IEEE國際固態電路會議上首次亮相的發射機晶元必須解決兩個問題，負責該研究的密歇根大學副教授大衛·溫茲洛夫解釋道。第一個是功耗，第二個是天線的大小。「天線的大小通常是基於物理的，你不能欺騙物理學，」Wentzloff說。該小組的解決方案涉及兩個問題。

普通的發射機電路需要一個可調諧的RF振蕩器來產生頻率，一個功率放大器來增強其幅度，一個天線來輻射信號。密歇根州的團隊將振蕩器和天線結合在一起，使放大器變得不必要。他們稱他們的發明為功率振蕩器。

振蕩器的關鍵部分是諧振迴路電路：電感器和電容器。能量在電感器的磁場和電容器的電場之間來回晃動，諧振頻率由電容和電感決定。在新電路中，該團隊將天線本身用作諧振迴路中的電感器。因為它充當電感器，所以天線使用變化的磁場而不是電場輻射;這意味著它可以更緊湊。

圖像來自：密歇根大學

藍牙發射器電源中集成的變壓器[八角形，左下角]提高了效率。晶元的有效區域僅佔0.5 平方毫米。

但是，尺寸不是唯一的。「最大的優勢在於天線是比片上電感器更高質量因數的電感器，」Wentzloff說。Q值基本上表示諧振器的效率。作為一個14毫米長的導體環，天線比毫米級發射器的晶元上電感器大得多。這導致Q值約為晶元上電感器的五倍。

雖然它是一種更有效的解決方案，但為了滿足BLE規範，該團隊需要一種更好的方法來為功率振蕩器供電。他們的解決方案是在為其供電的電路中構建片上變壓器。變壓器看起來像兩個嵌套線圈。一個線圈連接到振蕩器電路的電源電壓端，另一個線圈連接到接地側。Wentzloff說，以比功率放大器兩倍的頻率泵送變壓器有效地增強了天線的功率流。

通過廣播BLE「廣告」數據包來測試新發射機 - 一組比特告訴接收設備發射機在那裡。 「如果你想製造一個毫米級的跟蹤器設備，這就是你所需要的，」Wentzloff說。但廣告包的有效載荷部分最多可達31個位元組，非常適合打包感測器數據。

該研究是密歇根大學M3項目的一部分，該項目正在開發模塊化，毫米級感測器。 Wentzloff說，下一步是將BLE無線電集成到其中一個感測器中。 「我們在M3項目中使用了多個發射器，」他說。 「BLE將是該模塊化平台的另一種選擇。」

source: spectrum.ieee.org