Johdatus radiotekniikkaan. Ville Viikari ELEC-C5070 Elektroniikkapaja

Transkriptio

1 Johdatus radiotekniikkaan Ville Viikari ELEC-C5070 Elektroniikkapaja

2 Sisältö Johdanto radiotekniikkaan Epälineaarisuuden hyödyntäminen RFIDssä Esimerkkejä radiotekniikan tutkimuksesta Radiotieteen ja tekniikan laitoksessa

3 Sähkömagneettinen spektri wavelength shortens energy of a quantum increases ( E hf infrared gammaradiation röntgen UV visible light (heat) microwaves mmwaves RFwaves long waves ) 10 2 Hz 3

4 Radiotaajuuksien jako 4

5 Radiotekniikan historia I do not think that the wireless waves...will have any practical application. 5

6 Radiotekniikka radiotekniikka on tekninen tiede, joka tutkii sähkömagneettisen säteilyn ilmiöitä ja hyödyntämistä noin taajuusvälillä 30 Hz 3 THz Sana radio tulee latinasta: radius, radiare (säteillä) Oskillaattori tuottaa vaihtovirtaa, jonka antenni muuntaa vapaassa tilassa eteneväksi sähkömagneettiseksi säteilyksi 6

7 Radiotekniikka yleisesti 3G, LTE, 4G, NFC, Bluetooth, WiFi, ZigBee, ANT+, BLE, ibeacon, GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou,

8 RFID radiotaajuinen etätunniste Source: Source: Source: Source: Source: 8

9 RFID:n tärkeimmät taajuusalueet HF Frequency bands MHz MHz, rail vehicles UHF Frequency Bands MHz in Europe MHz in North America MHz in Japan MHz in Korea MHz in Australia MHz in South Africa Near-field coupling Far-field coupling 9

10 RFID:n toimintaperiaate 1. Lukijalaite lähettää etätunnisteelle digitaalisesti amplitudimoduloidun viestin Reader Tietoa ja energiaa 0' 1' 0' 1' 2. Etätunniste vastaa heijastamalla osan lukijalaitteen lähettämästä aallosta ja lisäämällä siihen modulaation Reader Energiaa ja kantoaalto 0' 1' 1' 0' Tietoa 10

11 Energian kerääminen radioaalloista Antenni tuottaa diodin yli sinimuotoisen jännitteen V j I Logiikka + muisti V j = V 0 sin(ω RF t) Diodin virta riippuu jännitteestä ekxponentiaalisesti: I V j = I s e αv j 1 11

12 Diodin virran riippuvuus jännitteestä I V j = I s e αv j 1, I s = 1μA, α = 40V 1 Sinimuotoisen jännitteen aiheuttama virta: I V j = I s e αv 0sin(ω RF t) 1 Current ( A) Voltage (V) Mikä on DC-virta? 12

13 Current ( A) DC-virran ratkaiseminen Taylorin approksimaation avulla I V I 0 + v R j + αv2 2R j Tarkka ratkaisu I V j = I s e αv j 1 Toisen asteen Taylorin approksimaatio Mahdollinen ulkopuolinen DCbias I V I 0 + v R j + αv2 2R j Lineaarinen vastus Epälineaarinen termi Voltage (V) 13

14 Tasasuunnattu virta I epälineaarinen V α V 2R 0 sin ω RF t 2 = αv 2 0 αv 2 0 cos 2ω j 4R j 4R RF t j Tasavirta Virta 2. harmonisella taajuudella 14

15 H(ω) Moduloivan signaalin synnyttäminen Oskillaattori muuntaa DC-virran vaihtovirraksi S i (ω) A S o (ω) S o ω = AS i ω + AH ω S o ω H(ω) S o ω = AS i ω 1 AH ω 1 S o ω 0 S i ω = 0 0 ω Mahdollista kun: 1 AH ω = 0 ω 0 15

16 Collpits ja Hartley-oskillaattorit 16

17 Modulaatio Oskillaattorin ulostulojännite V osc sin ω osc t V j I DC Kellopiiri (oskillaattori) Tasavirta oskillaattorille ja logiikalle Logiikka ja muisti 17

18 Modulaatio V osc sin ω osc t V j Kellopiiri (oskillaattori) V j = V 0 sin ω RF t + V osc sin ω osc t Logiikka ja muisti I epälineaarinen V α 2R j V 0 sin ω RF t +V osc sin ω osc t = αv 0V osc 4R j cos ω RF ω osc t 2 Tunnisteen vastaus eri taajuudella ω RF ω osc kuin lukijalaitteen signaali ω RF 18

19 Tulevaisuus CAGR = Compound annual growth rate ~ average growth / year Ympärillämme olevien radioaaltojen määrä kasvaa nopeasti 19

20 Binääriseen operaatioon tarvittava energia puolittuu 1,5 vuoden välein J. G. Koomey, S. Berard, M. Sanchez, and H. Wong, "Implications of Historical Trends in the Electrical Efficiency of Computing," IEEE Annals of the History of Computing, vol.33, no.3, pp.46-54, Mar

21 Tulevaisuus: Radioaaltojen voimalla toimiva läsnä-äly Laitteet tuottavat toimintaansa tarvitseman energian ympäristön radioaalloista Laitteet käyttävät ympäristön radioaaltoja tiedonsiirtoon RF-powered ubiquitous device Energy (WiFi, TV, 4G base station etc.) Ambient transmitter Communication Connection to powered net 21

22 Radiotieteen ja tekniikan laitoksella tutkittavia asioita Frequency tuning Beam and polarization steering Reflection coeff. Frequency µ C Feedback loop Φ µ C Retrodirectivity MIMO µ C µ C 90⁰ hybrid 22

23 Langattomat anturit 23

24 Antennit 24

25 Antennitutkimuksen tavoitteet

26 26

27 27

28 Näkymättömyysviitta 28

29 Työllistyminen Manager Industry R&D Academic R&D Specialist, public sector Entrepreneur Teacher Other Satunnaisotanta: 86 Radiotekniikan pääaineesta valmistunutta vuosilta