PDF-Ausgabe herunterladen (28.7 MB) - elektronik industrie

HF-/Mikrowellentechnik
Bild 1: Energie pro Bit versus Peak Power.
Bild 2: Betriebsspannung sowie Leistungsaufnahme
von Sender und Empfänger einiger derzeit erhältlichen
Transceiver-Lösungen.
Auf einen Blick
Weder Batterie noch Akku
Das Neueste in Sachen WSN-Technologie (Wireless Sensor Netzwerke)
sind Sensoren, die von Energie Harvesting gespeist werden und
somit weder Batterie noch Akku benötigen. Gegenüber sonstigen
drahtlosen Sensoren ergeben sich jedoch zusätzliche Anforderungen
wie geringste Spitzenleistungsaufnahme und Standby-Ströme sowie
andere zusätzliche Kriterien durch die neuen sich ergebenden Applikationen
zum Beispiel in der Medizintechnik, im M2M-Bereich, dem
Militär und so weiter. Um in diesen Bereichen eingesetzt werden zu
können, müssen einige, in diesem Artikel aufgezeigte Kriterien erfüllt
werden, wobei dem Short-Range-Radio-Transceiver eine Schlüsselrolle
zukommt.
infoDIREKT www.all-electronics.de
607ei0513
Energy-Harvesting-Transducers haben eine höhere Ausgangsimpedanz
als Batterien. Der Micro-Powermanagement-Layer
zwischen Transducer und Sensor passt die Versorgungscharakteristik
an, einschließlich der Quellenimpedanz. Dafür gibt es bei
einem Transceiver mit geringen Spitzenströmen keine Einschränkungen
bei der Versorgung der Wireless-Sensoren.
Bei einem Sender kann der Stromverbrauch der Endstufe sehr
groß sein. Viele 802.15.4- oder Bluetooth-Transceiver benötigen
25 bis 40 mW für eine Freiraumübertragung von 25 m, was einem
Energieverlust von 95 Prozent entspricht. Bild 1 zeigt die Energie
pro Bit verglichen zum Spitzenstrom einiger Lösungen zur Überbrückung
von 25 m Freiraum. Bei Batterie- oder Energy Harvesting-Systemen
liegt die optimale Kombination nahe der linken
unteren Ecke im Bild 2.
Die Empfängerempfindlichkeit definiert die für die Übertragung
benötigte Leistung. Bei den meisten Empfängern liegt die Empfindlichkeit
zwischen -85 bis -95 dBm. Für den Strombedarf der
Senderendstufe ergibt sich durch diese Spanne der Faktor zehn.
Empfindlichkeit, Trägerfrequenz und Ausgangsimpedanz sind
die drei Faktoren mit dem größten Einfluss auf die Leistungsaufnahme
des Empfängers. Diese Faktoren addieren sich und repräsentieren
zwei Größenordnungen bei der Stromaufnahme der Sendeendstufe
bei identischen Übertragungsentfernungen. Bild 2 vergleicht
die Versorgungsspannung von Sender- und Empfängerstromaufnahmen
populärer Transceiver. Andere IC-Spezifikationen
wie Leckströme und die Wake-up-Zeit beeinflussen den Stromverbrauch
ebenfalls. Da sie jedoch nur bei geringen Datenraten kritisch
sind, verringert sich ihr Einfluss bei Datenraten über 10 bit/s.
Ein anderer wichtiger Parameter, der den Stromverbrauch der
Endstufe beeinflusst, ist die Ausgangsimpedanz. Bei den meisten
Sendern liegt der Wert unter 100 Ω. Eine geringe Impedanz wird
nur für hohe Ausgangsleistungen zur Überbrückung großer Entfernung
benötigt. Verglichen zu hochohmigen Ausgängen, die
mehr zum Kurzstreckenfunk passen, führt dies jedoch zu einem
fünf Mal höheren Strom als bei hochohmigen Ausgängen. Gleiche
Empfängerempfindlichkeit und Effizienz der Sendeausgangsstufen
vorausgesetzt, benötigt ein 900-MHz-Transceiver mit hoher Impedanz
nur 1 mW in seiner Sendeendstufe zum Überbrücken derselben
Entfernung. Ein 2,4-GHz-Transceiver mit 50 Ω Senderausgang
benötigt dagegen 25 bis 40 mW.
Ein wichtiger Parameter bei der Auswahl eines Sendeempfängers
ist die Trägerfrequenz. Innerhalb der ISM-Bänder gibt es die
Optionen 2,4-GHz oder Sub-GHz-Frequenzen. Zusätzlich beachtet
werden müssen Reichweite, Stromaufnahme, Datenrate, Antennengröße,
Interoperabilität (Standards) und weltweiter Einsatz.
Wi-Fi-, Bluetooth- und ZigBee-Technologien bei 2,4 GHz werden
am häufigsten eingesetzt. In Low-Power-Applikationen und
solchen mit geringen Datenraten, wie Wireless-Sensoren und Medizin-Monitoring,
Homesecurity/Automation und Smart-Metering,
haben Sub-GHz-Wireless-Systeme verschiedene Vorteile.
Dazu gehören eine größere Reichweite bei gegebener Leistung, eine
reduzierte Stromaufnahme und geringere Erstellungs- und Betriebskosten.
Gegenüber 2,4-GHz-Lösungen hat die Nutzung von Sub-GHz-
Trägerfrequenzen folgende Vorteile. Da die Dämpfungsrate mit
der Frequenz zunimmt, schwächen sich 2,4-GHz-Signale mehr ab
als Sub-GHz-Signale. Bei 2,4 GHz gibt es durch die Reflexion an
massiven Oberflächen zudem mehr Schwund (Fading). In überfüllten,
dicht bebauten Umgebungen werden GHz-Signale stark
bedämpft, was die Signalqualität ebenfalls beeinflusst. Biologisches
Gewebe absorbiert HF-Energie frequenzabhängig. Niedrige Frequenzen
können in einen Körper leichter eindringen ohne absorbiert
zu werden, das heißt eine Sub-GHz-Strecke ist verglichen zur
2,4-GHz-Strecke länger oder benötigt weniger Leistung. Obwohl
sich Radiowellen geradlinig ausbreiten, werden sie abgelenkt,
wenn sie auf eine feste Kante auftreffen. Mit abnehmender Fre-
www.elektronik-industrie.de elektronik industrie 05 / 2013 67