Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2041
Main Title: Entwurf von 24 GHz Schaltungen mit optimierter Verlustleistungsaufnahme
Translated Title: Design of 24 GHz circuits with optimized power consumption
Author(s): Huber, Meik
Advisor(s): Böck, Georg
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: 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.
Sensor networks are discussed for many applications today. To realize such systems, technical tasks of many kinds have to be solved. This work shows system concepts and circuits with low power dissipation for sensor networks. Thus, long lifetimes using small batteries can be achieved. Sensor nodes can be miniaturized to a almost invisible size which is essential for an economic success of such systems. This work shows two concepts to realize sensor nodes of about 1 cm3. Batteries, a 24 GHz communication front end and the corresponding antenna is included within this volume. The first concept is a direct receiver for receiving e.g. temperature or humidity information, having a current consumption of 23 mA (3 V). For transmitting, the current consumption is 7 mA (3 V). The LNA and detector used in the direct receiver are presented. The power consumption of the LNA is 46 mW, providing a gain of 15 dB. The base band electronics is negligible regarding power consumption. Using commercial batteries, an operation time of several hours are reached. The second concept is based on a heterodyne receiver having an intermediate frequency of 2.4 GHz. A cascode mixer is presented. The mixer has a gain of 16 dB with a power consumption of 16 mW. The HBT cascode mixer circuit is analyzed in detail. A concept for a cascade upconversion mixer is also presented. A conversion gain of 5.8 dB is reached, having a power consumption of 15 mW. The heterodyne receiver has a current consumption of 30 mA (9 V). Beside the mixer, the oscillator and the respective frequency stabilization circuits are the main power consumers. This receiver demonstrates video transmission. The processing of the video data requires the high supply voltage. The high frequency circuits operate with 3 V power supply. Concerning miniaturization this is a bench marking result. A long lifetime of the sensor nodes is achieved by ultra-low energy consuming circuits and system concepts. These are presented in detail. Feasibility is shown by various prototypes.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-21033
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2338
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2041
Exam Date: 15-Jul-2008
Issue Date: 16-Dec-2008
Date Available: 16-Dec-2008
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Integriete-Schaltungen
Mischer
MMIC
Sensor-Netzwerke
Verstärker
Amplifier
Integrated circuits
Mixe r
MMIC
Sensor networks
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 4 Elektrotechnik und Informatik » Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_45.pdf2.63 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.