Johdatus radiotekniikkaan Ville Viikari ELEC-C5070 Elektroniikkapaja
Sisältö Johdanto radiotekniikkaan Epälineaarisuuden hyödyntäminen RFIDssä Esimerkkejä radiotekniikan tutkimuksesta Radiotieteen ja tekniikan laitoksessa
Sähkömagneettinen spektri wavelength shortens 10 24 10 20 10 18 10 16 energy 10 15 10 13 of a quantum increases ( E hf 10 11 10 10 infrared gammaradiation röntgen UV visible light (heat) microwaves mmwaves RFwaves 10 8 10 6 10 4 long waves ) 10 2 Hz 3
Radiotaajuuksien jako 4
Radiotekniikan historia I do not think that the wireless waves...will have any practical application. 5
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
Radiotekniikka yleisesti 3G, LTE, 4G, NFC, Bluetooth, WiFi, ZigBee, ANT+, BLE, ibeacon, GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou,
RFID radiotaajuinen etätunniste Source: http://en.wikipedia.org Source: http://blog.barcoding.com/tag/uhfid/ Source: http://en.wikipedia.org Source: http://en.wikipedia.org Source: http://en.wikipedia.org 8
RFID:n tärkeimmät taajuusalueet HF Frequency bands 13.56 MHz 27.125 MHz, rail vehicles UHF Frequency Bands 865 870 MHz in Europe 902 928 MHz in North America 950 965 MHz in Japan 910 915 MHz in Korea 918 926 MHz in Australia 913 915 MHz in South Africa Near-field coupling Far-field coupling 9
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
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
Diodin virran riippuvuus jännitteestä 60 50 40 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) 30 20 10 0-10 -0.1-0.05 0 0.05 0.1 Voltage (V) Mikä on DC-virta? 12
Current ( A) DC-virran ratkaiseminen Taylorin approksimaation avulla 60 50 40 30 20 10 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 0-10 -0.1-0.05 0 0.05 0.1 Voltage (V) 13
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
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
Collpits ja Hartley-oskillaattorit 16
Modulaatio Oskillaattorin ulostulojännite V osc sin ω osc t V j I DC Kellopiiri (oskillaattori) Tasavirta oskillaattorille ja logiikalle Logiikka ja muisti 17
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
Tulevaisuus CAGR = Compound annual growth rate ~ average growth / year Ympärillämme olevien radioaaltojen määrä kasvaa nopeasti 19
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. 2011 20
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
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
Langattomat anturit 23
Antennit 24
Antennitutkimuksen tavoitteet 1. 2. 3. 4. 25
26
27
Näkymättömyysviitta 28
Työllistyminen Manager Industry R&D Academic R&D Specialist, public sector Entrepreneur Teacher Other Satunnaisotanta: 86 Radiotekniikan pääaineesta valmistunutta vuosilta 1985 2009 29