将一枚毫米级的芯片随手“种”在土里，即可实现对土壤湿度、温度等多种数据的监测，无需电池，通过环境能量采集即可实现自供电，预计使用寿命超过数十年，更可以低成本大规模布控…… 近日，在被誉为“集成电路设计奥林匹克大会”的第73届国际固态电路会议上，同济大学电子与信息工程学院2022级微电子科学与工程专业博士生张永领凭借在低功耗射频集成电路设计领域的突出学术成果与创新贡献，被授予2025-2026年度SSCS Predoctoral Achievement Award（国际固态电路学会博士生成就奖）。
“每次看到测试台上发烫的芯片，我都在思考如何让它不再这么‘烫手’？”在攻读同济大学博士学位之前，张永领曾在企业工作5年，面对业界棘手的难题，他选择回到高校继续科研攻关，希望在更前沿的探索中，找到产业难题的答案。
幸运的是，在博士生涯一开始，他就接触到了无源反向散射技术。低功耗甚至是无源供能的特性，可以彻底摆脱对传统电池或外部电源的依赖，低至几微瓦级别的功耗，从根本上解决了芯片发热的问题，完美实现了“让芯片不发烫”的设想，这正是他一直苦苦寻找的“更优解”。
团队正在进行测试（受访者供图）
“覆盖广、速率高、功耗低，就像一组不可能三角，构成无源物联网芯片的核心技术挑战。”难点往往不是单一的技术问题，而是多个关键指标之间的复杂权衡。在导师孟淼教授指导下，他针对这一关键问题展开研究：借鉴传统发射机的I/Q调制机制，从理论上对反向散射过程进行了系统建模与推导，并在此基础上提出了全数字高阶反向散射调制的实现方法，使系统能够在有限功耗约束下持续提升数据传输能力。
“很多初期方案仅在理论上是可行的，但在实践中并不能一次解决。”张永领说，在芯片制作过程中，受到工艺、电压、温度变化等影响，以及版图寄生电容、封装引入的寄生电感等非理想因素，仿真结果与实际测试之间经常存在偏差。
“没有一步登天的捷径，只有锲而不舍的攻坚。”为了解决实测偏差，他不断探索更鲁棒的通信架构，通过电路与版图协同优化以及反复验证，在迭代中逐步逼近目标性能，并最终实现覆盖距离、通信速率、功耗的有效平衡。在大气环境中，最新一代芯片能够实现上千平米的信号覆盖，传输速率实现从数十Kb/s到数百Mb/s的跃升，功耗更是从传统收发芯片的毫瓦级降至微瓦级。
“这一次获奖更加坚定了我投身科研的信心。”张永领说，他会继续深耕这个领域，推动低功耗无源物联网芯片的产业化应用。“奖项虽然是颁给个人的，但这背后离不开学校的平台与团队的支撑。”张永领说，团队给予了充分的研究自由度，更提供了良好的硬件基础，成员之间相互支持、协同攻关，营造了良好的科研氛围，是开展科研工作的坚实后盾。
随着物联网技术的快速发展，越来越多的场景需要低功耗、免维护的物联网设备，比如智能物流、工业监控、智慧城市、偏远地区的农业监测等。借助学校的学科交叉、校企合作平台，他还参与了团队正在开展的“可穿戴与生物医疗芯片设计”项目。他说，“希望通过更广泛的跨学科联动、更深度的产学研融合，朝着‘更节能、更实用、更贴合市场需求‘的方向前进，让更多创新技术惠及更多行业、更多场景，服务于人民的美好生活。”
来源：电子与信息工程学院
图文/编辑：樊宗鑫
责编：聂阳阳
