Entwurf von 24 GHz Schaltungen mit optimierter Verlustleistungsaufnahme

Sensor Netzwerke werden heutzutage für vielerlei Anwendungen diskutiert. Ihrer Realisierung stehen noch vielfältige technische Aufgaben entgegen. Die vorliegende Arbeit zeigt verlustleistungsarme Systemkonzepte und Schaltungen für Sensor Netzwerke. Dadurch wird eine lange Laufzeit mit kleinen Batterien erreicht. Nur so kann ein Miniaturisierungsgrad erreicht werden, bei dem Sensor Knoten verschwinden klein werden, was unerlässlich für den wirtschaftlichen Erfolg solcher Systeme ist. Die Arbeit zeigt zwei Konzepte, mit denen Sensor Knoten von circa 1 cm3 Gesamtgrösse realisiert werden können. In diesem Volumen enthalten sind Batterien, Kommunikationshardware bei 24 GHz und die entsprechende Antenne. Das erste Konzept basiert auf einem Direktempfänger, der mit einem Stromverbrauch von 23 mA (3 V) Sensordaten wie zum Beispiel Temperatur und Luftfeuchtigkeit überträgt. Für den Sendefall beträgt der Stromverbrauch 7 mA (3 V). Der im Direktempfänger verwendete LNA und Gleichrichter werden vorgestellt. Die Verlustleistung des LNA beträgt 46 mW, wobei eine Verstärkung von 15 dB erreicht wird. Die Basisbandelektronik ist hinsichtlich Stromverbrauch vernachlässigbar. Somit wird eine Betriebszeit mit handelsüblichen Batterien von mehreren Stunden erreicht. Das zweite Konzept basiert auf einem Heterodyneempfänger mit einer Zwischenfrequenz von 2.4 GHz. Ein Kaskodenmischer wird vorgestellt, der als Frequenzumsetzer benutzt wird. Dieser Mischer erreicht bei 16 mW Leistungsaufnahme eine Verstärkung von 16 dB. Die Schaltung eines HBT Kaskodenmischers wird ausführlich untersucht. Ein Konzept für einen balancierten Aufwärtsmischer in Kaskodenstruktur wird ebenfalls vorgestellt. Mit einer Leistung von 15 mW werden 5.8 dB Konversionsgewinn erreicht. Der Heterodyneempfänger hat insgesamt einen Stromverbrauch von 30 mA (9 V). Neben dem Frequenzumsetzer verursacht der Oszillator mit der entsprechenden Frequenzstabilisierung einen erheblichen Teil der Verlustleistung. Mit diesem Empfänger wird eine Videoübertragung demonstriert. Dabei ist die hohe Spannung der Verarbeitungsschaltung für die Videodaten geschuldet. Die Hochfrequenzschaltungen arbeiten bei 3 V Versorgungsspannung. Betreffend des Miniaturisierungsgrades bieten die vorgestellten Demonstratoren ein richtungsweisendes Ergebnis. Eine lange Lebensdauer der Sensorknoten wird insbesondere durch den Einsatz ultra-energiesparender Schaltungen und Systemkonzepte ermöglicht. Diese werden detailliert vorgestellt. Die praktische Realisierbarkeit ist an vielen Stellen durch die Präsentation von Prototypen untermauert.

Author dc:creator

• Huber, Meik

Advisor dc:contributor.advisor

• Böck, Georg

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

de, German

Identifier URI

urn:nbn:de:kobv:83-opus-21033
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2041

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/2338