Abstract
Drahtlose Kommunikationssysteme erfreuen sich heutzutage weiter Verbreitung in unterschiedlichsten Bereichen und auch die Entwicklung flexibler Elektronik auf Folien schreitet immer weiter voran, da sich durch deren geringe Dicke und mechanische Flexibilität neue Anwendungsfelder eröffnen, welche häufig im Bereich der Sensorik zu finden sind. Für den zugehörigen Datenaustausch ist für flexible, autarke Systeme eine drahtlose Kommunikation erforderlich, wobei gebräuchliche drahtlose Kommunikationssysteme weder für Foliensysteme optimiert, noch in jedem Fall darin einsetzbar sind. Weiterhin sind dem Autor bisher keine vollständig biegbaren drahtlosen Kommunikationsschnittstellen bekannt. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit eine biegbare drahtlose Kommunikationsschnittstelle für zwei Anwendungsdemonstratoren in Sensorfoliensystemen mit Dicken von ca. 150µm - 300 µm vorgestellt. Die Umsetzung beinhaltet ein Konzept, welches ohne lokale Frequenzreferenz auskommt, ein anwendungsspezifisches Protokoll sowie die Implementierung der entsprechenden Empfänger und Sender auf physikalischer Ebene als integrierte Schaltung (IC). Der IC nimmt einen Schwerpunkt der Arbeit ein. Um eine maximale Biegbarkeit des ICs zu realisieren, wird eine Dicke von 10 $-$ 20 µm angestrebt, wofür eine speziell dünnbare CMOS-Sea-of-Gates-Technologie mit minimaler Strukturgröße von 500 nm eingesetzt wird. In Kapitel 3 findet eine Systemauslegung statt. Nach Vorstellung der Anwendungsdemonstratoren für Greiffinger und Sicherheitstüren wird eine genauere Definition der Ziele und Spezifikationen durchgeführt. Außerdem werden vom Foliensystem herrührende Randbedingungen betrachtet, welche einerseits, wie die fehlende Referenz, von prinzipieller Natur sind und andererseits von der Strukturgröße und Art der Sea-of-Gates-Technologie verursacht werden. Anschließend wird das Konzept der Referenzübertragung vorgestellt und es werden passend zu Anwendung und Rahmenbedingungen die ISM-Frequenzbänder bei 27 und 868 MHz ausgewählt. Weiterhin wird untersucht, ob verfügbare Protokolle für die Kommunikation eingesetzt werden können und es wird ein speziell für biegbare Systeme und die Anwendungen entwickeltes Protokoll mit sehr geringen Latenzen vorgestellt und mit den vorhandenen Protokollen verglichen. Schließlich findet sich eine Systemübersicht. In Kapitel 4 werden der Aufbau und die Realisierung der Referenztakt- und Datenempfänger bei 27 MHz mit Vorverstärker, Verstärkungsregelkreis, Demodulation, Dekodierung und limitierendem Verstärker vorgestellt. Zudem werden Simulations- und Messergebnisse gezeigt und diese mit kommerziell erhältlichen Empfängern verglichen. Kapitel 5 zeigt den Aufbau des 868 MHz ASK Senders, welcher aus einer Phasenregelschleife und einem modulierbaren Ausgangsverstärker besteht. Anhand von Simulations- und Messergebnissen wird die prinzipielle Funktion verifiziert und es wird der Einfluss des Empfangssignalpegels auf das Ausgangsspektrum untersucht. Im Anschluss findet sich eine Zusammenfassung und ein Vergleich mit anderen Sendern im 868 MHz ISM-Band. In Kapitel 6 sind Ergebnisse des Gesamtsystems gezeigt. Dabei wird die drahtlose Kommunikation auf Basis des anwendungsspezifischen Protokolls mit dem entwickelten IC vorgestellt. Dies geschieht zunächst in starrer Umgebung und später auf einem Foliensystem. Es kann gezeigt werden, dass die Anforderungen aus Kapitel 3 eingehalten werden und eine Kommunikation auch in gebogenem Zustand möglich ist. Damit stellt das entwickelte Kommunikationssystem nach Kenntnis des Autors die erste vollständig mechanisch flexible drahtlose Schnittstelle mit aktivem Sender dar. Die Ergebnisse der Arbeit werden schließlich im letzten Kapitel zusammengefasst und mit bekannten Systemen verglichen. Dort wird auch ein Ausblick gegeben.
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