Mikrowatteja kuluttavia radiomikropiirejä voimakkaasti jaksotetuille langattomille verkoille

Tuomas Haapala

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Matalatehoiset älylaitteet voivat toimia energiaomavaraisesti hyödyntämällä ympäristölle haitallisten ja kalliiden paristojen sijaan energiakeräimiä kuten valokennoja. Pienikokoiset energiakeräimet pystyvät haalimaan kuitenkin vain mikrowatteja tehoa haastavissa ympäristöissä. Myös nappiparistoilla toimivat älylaitteet joutuvat tulemaan toimeen keskimäärin vain kymmenillä mikrowateilla, mikäli niiden toiminta-aika halutaan venyttää yli kymmeneen vuoteen paristojen määrän rajoittamiseksi. Tämä väitöskirja esittelee mikrowatteja tehoa kuluttavia radiomikropiirejä, jotka täyttävät yllä esitetyn tehobudjetin. Yhteistä näille radiopiireille on niiden ensisijainen yksinkertainen tehonsäästöstrategia: ne säästävät tehoa hyödyntämällä voimakasta jaksottamista eli olemalla pitkiä aikoja horroksessa. Ensiksi väitöskirja esittelee mikrowatteja kuluttavan impulssiradiolähettimen, jonka kymmenien metrien kantama soveltuu langattomille lähiverkoille. Toisekseen tämä väitöskirja esittelee lämpötilakompensaatio- ja kenttäkalibraatiomenetelmän mikrowatteja kuluttaville NB-IoT-modeemeille. NB-IoT-modeemeilla on langattomille kaukoverkoille soveltuva kilometrien kantama. Tämän väitöskirjan esittelemä ultraleveäkaistainen impulssiradiolähetin on suunniteltu 65 nm:n CMOS-prosessille. Lähettimen mitattiin tuottavan 1,8 pJ:n pulsseja 7,5 GHz:n kantotaajuudella kuluttaen 69 pJ energiaa jokaista tuotettua pulssia kohden ja vuotaen samalla 380 nW tehoa. Niinpä lähettimen kokonaistehonkulutus on 3,8 µW pulssintoistotaajuuden ollessa 50 kHz:n, joka vastaa 100 kbit/s:n datanopeutta katkoavainnukseen (on-off keying) perustuvalla modulaatiolla. Lähetin toimii luotettavasti myös sellaisilla lineaariregulaattoreilla, joilla on matala virranantokyky, mutta se vaatii suhteellisen tarkan käyttöjännitetason. Tämän väitöskirjan esittelemä lämpötilakompensaatiomenetelmä hyödyntää NB-IoT-modeemissa valmiiksi olevaa vaihelukittua silmukkaa kuluttaen siten vain vähän ylimääräisiä järjestelmäresursseja. Tälläisen lämpötilakompensoidun vaihelukitun silmukan (temperature-compensated phase-locked loop, TCPLL) suorituskykyä arvioidaan erilliskomponenteista rakennetulla prototyypilla. Tämän TCPLL-prototyypin mitataan alentavan kenttäkalibroinnin jälkeen kideoskillattoreiden taajuuspoikkeaman nimellistasosta ±50000 miljardiosaa tasolle 50 miljardisosaa (3σ) silmukan lähdössä. Tämä tarkkuus riittää varmistamaan nopean kytkeytymisen verkkoon ja vähentää tarvetta toistaa lähetettyjä datapaketteja, mikä voi säästää jopa yli 40 % voimakkaasti jaksotetun NB-IoT-modeemin kuluttamasta energiasta matalan kantaman alueilla. 65 nm:n CMOS-prosessille integroituna TCPLL:n vaatiman kompensaatiologiikan simuloidaan kuluttavan vain 290 nW tehoa.
Julkaisun otsikon käännösMikrowatteja kuluttavia radiomikropiirejä voimakkaasti jaksotetuille langattomille verkoille
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Halonen, Kari, Vastuuprofessori
  • Halonen, Kari, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-64-0328-1
Sähköinen ISBN978-952-64-0329-8
TilaJulkaistu - 2021
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • matalatehoinen
  • ultraleveäkaistainen
  • impulssiradio
  • energiankeräys
  • tehonhallinta
  • radiolähetin
  • vaihelukittu silmukka
  • lämpötilakompensaatio
  • kideoskillattori
  • esineiden internet

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Mikrowatteja kuluttavia radiomikropiirejä voimakkaasti jaksotetuille langattomille verkoille'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä