Design and analysis of field-powered transponders integrated in metallic objects [Elektronische Ressource] / Eddy Brice Kaldjob

Eddy Brice Kaldjob

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2010
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Design and analysis of field-powered transponders
integrated in metallic objects





Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik
der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor-Ingenieur
(abgekürzt: Dr.-Ing.)

genehmigte Dissertation






von
Dipl.-Ing. Eddy Brice Kaldjob
geboren am 22. Juni 1980 in Yaounde



2010





















Referent: Prof. Dr.-Ing. Hermann Eul
Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer
Tag der Promotion: 25. Juni 2010 Kurzfassung


Schlagworte: passive Transponder, Gleichrichterentwurf, Integration im Metall.


In der vorliegenden Abhandlung werden der Entwurf und die Analyse in metallischen
Gegenständen integrierter feldversorgter Transponder behandelt. Eine mathematische
Gleichstromanalyse und Wechselstromanalyse von gleichrichtenden Spannungs-
vervielfachern mit Dioden wird für Cockcroft-Walton Gleichrichter, Dickson „charge
pumps“ und Greinacher Gleichrichter im Zeitbereich durchgeführt, wobei die Anregung
jeweils über eine ideale Wechselspannungsquelle erfolgt. Für die drei Schaltungstypen
wird eine allgemeine Gleichung für die gleichgerichtete Ausgangsspannung entwickelt.
Die Analyse berücksichtigt SPICE-Parameter der Diode, die Schaltungstopologie sowie
den Lastwiderstand und ermöglicht somit ein tiefes Verständnis des Einflusses von
jedem der oben genannten Parameter auf die Ausgangsspannung. Entwurfsregeln für die
Maximierung der AC-zu-DC Konversion sind aus den hergeleiteten Formeln extrahiert.
Die nichtlineare Diodenkapazität ist anhand eines Polynoms parametrisiert, was die
Berechnung der Eingangsimpedanz der Schaltung ermöglicht. Die Analyse wird
erweitert, indem die ideale Wechselspannungsquelle durch eine Antenne ersetzt wird.
Zeitbereichs- und Frequenzbereichsanalysen werden für eine vollständige
Systembeschreibung kombiniert, und verknüpfen die verfügbare Leistung an der
Antenne, die Antennenimpedanz, die Dioden- und Schaltungseigenschaften sowie die
gleichgerichtete Ausgansspannung miteinander.
Eine neuartige Implementierung von Backscatter-Modulation wird vorgestellt, wobei
die logische Einheit den Betrag und Phase des Eingangsreflektionsfaktors des
Gleichrichters verstimmt, indem sie dessen Lastwiderstand steuert. Die Realisierung
von Amplituden- und Phasenmodulation wird anhand der Gleich- und
Wechselstromanalysen untersucht, und Regeln für den Änderungsbereich des
Gleichrichterlastwiderstandes werden formuliert. Empfindlichkeitsanalysen der
Modulationsarten bezüglich Toleranzen der Antennenimpedanzen und Schwankung der
erwarteten verfügbaren Leistung werden durchgeführt.
Das erarbeitete Konzept für die Integration in metallischen Gegenständen besteht darin,
eine Bohrung innerhalb des Gegenstandes zu realisieren und sie als Einbauraum für die
Transponderschaltung fungieren zu lassen. Ein adäquater Hohlleiter-zu-planar
Übergang für die Feldkopplung zwischen Bohrung und Transponderschaltung wird
entwickelt. Die Impedanzanalyse und Strahlungscharakteristiken der resultierenden
Hohlleiterantenne sind für den Betrieb im 2,45 GHz ISM Band vorgestellt.
Erkenntnis aus dem Gleichrichterentwurf, der Modulationsimplementierung und der
Integrationsmethode werden angewendet, um den beabsichtigten Transponder zu
entwickeln. Die verwendeten Bauelemente sowie die auswählte Schaltungstopologie
werden vorgestellt und diskutiert. Die Kommunikation findet im 5,8 GHz ISM Band
statt, und die Bohrung wurde mit dielektrischen Polymeren gefüllt. Praktische
Simulationsschritte für die Entwicklung der Schaltung und des passenden
Hohlleiter-zu-planar Übergangs werden dargelegt. Das realisierte System wurde für
Identifikation und ferne Temperaturmessung und -Übermittlung erfolgreich getestet.
Abstract


Keywords: passive transponders, rectifier design, integration in metal.


The design and the analysis of field-powered transponders integrated in metallic objects
are treated in the present work. A mathematical time domain DC analysis of voltage
multiplying rectifiers using diodes is done for Cockcroft-Walton rectifiers, Dickson
charge pumps and Greinacher rectifiers, where the excitation is provided by an ideal AC
voltage source. A general expression for the DC output voltage is developed for the
three topologies. The analysis takes into account diode SPICE parameters, circuit
topology and load resistance thus permiting a deep understanding of the effects of each
of the above mentioned parameters on the rectified voltage. Design rules leading to the
maximization of the AC-to-DC conversion and efficiency are extracted from the
obtained formula. The non-linear diode capacitance is parameterized by means of a
polynomial, allowing the calculation of the circuit input impedance. The analysis is
enhanced by replacing the ideal AC source by an antenna. Time domain and frequency
domain analysis are combined for a complete system description, giving the relation
between the available power at the antenna, the antenna impedance, the diode and
circuit properties, and the output DC voltage.

A novel implementation of the backscatter modulation is presented, where the logic unit
controls the magnitude and the phase of the rectifier input reflection coefficient by
controlling the load resistance of the rectifier. The realization of amplitude or phase
modulation is analyzed by means of the combined AC and DC analyses and rules for
the sweep range of the rectifier load resistance are presented. Furthermore, sensitivity
analyses are done to predict the reliability of the performed modulations in case of
tolerances of antenna impedance or variation of the expected available power.

The proposed approach for the integration of the transponder into metallic objects
consists on the realization of a cylindrical cavity inside the object, and to use it as dwell
place for the transponder circuit. An adequate waveguide-to-planar transition
performing the field coupling between the cavity and the transponder circuit is
developed. The impedance analysis and the radiation properties of the resulting
waveguide antenna are presented for operation in the 2.45 GHz ISM band.

The knowledge on the rectifier design, the modulation implementation and the
integration method are applied to develop the targeted transponder. The used electronic
components as well as the choice of the circuit topology are presented and discussed.
The communication has been operated in 5.8 GHz ISM band and the cavity has been
filled with dielectric polymers. A practical simulation procedure for design of the circuit
and the suitable waveguide-to-planar transition are shown. The realized system has been
successfully tested for identification and remote temperature sensing and transmission.
TABLE OF CONTENTS I

Table of contents

1 INTRODUCTION.................................................................................................... 1
1.1 Motivation............................................................................................................... 1
1.2 State of the art......................................................................................................... 2
1.3 Frame and structure of the work............................................................................. 3
2 DC ANALYSIS......................................................................................................... 5
2.1 Basics on voltage rectifiers..................................................................................... 5
2.2 Voltage multiplying rectifiers................................................................................. 7
2.3 Circuit analysis ....................................................................................................... 9
2.3.1 Single-stage rectifier ...................................................................................... 11
2.3.2 Diode path resistance ..................................................................................... 14
2.3.3 Voltage doubler.............................................................................................. 15
2.4 DC analysis of N-stage voltage multiplying rectifiers.......................................... 18
2.4.1 Cockcroft-Walton rectifier ............................................................................. 18
2.4.2 Dickson charge pump..................................................................................... 20
2.4.3 Circuit capacitors ........................................................................................... 21
2.5 Diode technology.................................................................................................. 22
2.5.1 Comparison between Schottky diodes and p-n junctions .............................. 22
2.5.2 Ideality factor .........