Väitös mikro- ja nanoelektroniikkasuunnittelun alalta, DI Mika Pulkkinen

Väitöskirjan nimi: Outlooks on Radio Transmitter Energy Efficiency and Ultra-Low Power Radio Transmitters

Tohtoriopiskelija: Mika Pulkkinen
Vastaväittäjä: Dr HDR Andreia Cathelin, STMicroelectronics, Ranska
Kustos: Prof. Kari Halonen, Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu, elektroniikan ja nanotekniikan laitos

Langattomista elektronisista laitteista on tullut osa jokapäiväistä elämää. Näissä laitteissa käytetään usein radiolähetintä, radiovastaanotinta tai molempia langattomaan tiedonsiirtoon. Muutamia nykyajan esimerkkejä tällaisista langattomista, radiopiirejä hyödyntävistä laitteista ovat matkapuhelimet, langattomat kuulokkeet, kauko-ohjauksella varustetut autonavaimet ja langattomat anturit. Tulevaisuudessa langattomien laitteiden määrän ennustetaan kasvavan entisestään esimerkiksi esineiden Internetin (engl. Internet of Things) myötä. 

Langattomiin laitteisiin liittyy yleisesti tunnettu ongelma: laite saa virtansa tyypillisesti paristosta tai akusta, jonka energia loppuu aikanaan, minkä seurauksena laitteen toiminta keskeytyy ja paristo pitää vaihtaa tai akku ladata. Tällaiset toimintakatkokset ovat pääsääntöisesti epätoivottuja ja niiden esiintymistiheyttä pyritäänkin vähentämään. Tässä auttaa esimerkiksi laitteen tehonkulutuksen pienentäminen. Radiopiireillä varustetuissa laitteissa juuri radiopiirit voivat kuluttaa suuren osan tehosta. Sen takia viime aikoina on kehitetty radiolähettimiä ja -vastaanottimia, jotka kuluttavat äärimmäisen vähän tehoa. 

Tässä väitöstyössä on tutkittu äärimmäisen pienitehoisia, mikropiirille toteutettuja radiolähettimiä. Työn tavoitteena on ollut löytää aiempaa energiatehokkaampia lähetinpiiriratkaisuja. Väitöskirjassa esitetään näkemyksiä radiolähettimien energiatehokkuudesta, keskustellaan modulaatiomenetelmän vaikutuksesta energiatehokkuuteen ja esitetään uusia lähetinratkaisuja. Työssä on toteutettu mikropiirille muun muassa kapeakaistainen lähetin, joka kuluttaa keskimäärin alle 50 mikrowattia tehoa jatkuva-aikaisen datalähetyksen aikana ja saavuttaa kilometrin kantaman jopa ilman voimakkaasti suuntaavia antenneja. Tämä lähetin on erittäin energiatehokas verrattuna aiemmin julkaistuihin pienitehoisiin lähettimiin. 

Tämän väitöstyön tutkimustulokset voivat auttaa entistä energiatehokkaampien lähettimien suunnittelussa. Tämä puolestaan voisi auttaa tulevaisuudessa pienentämään langattomien laitteiden ja erityisesti langattomien anturien tehonkulutusta ja siten parantamaan näiden laitteiden toiminta-aikaa. 

Lähetinkeskustelun lisäksi työssä esitetään eleanturirajapintapiirejä, jotka kuluttavat alle neljä mikrowattia tehoa. Ne mahdollistavat yksinkertaisten käsieleiden havaitsemisen lyhyellä etäisyydellä. Näiden eleanturiratkaisujen avulla voitaisiin toteuttaa käyttöliittymiä esimerkiksi pienitehoisiin langattomiin laitteisiin.

Avainsanat: RF, radio, radiolähetin, lähetin, energiatehokkuus, matalatehoinen, eleanturi

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/

Yhteystiedot:

Sähkötekniikan korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/53