Kleinster und wirtschaftlichster Bluetooth-Chip

11. April 2019, 12:03 Uhr
Der Bluetooth-Sender (rechter Chip) ist mit einer magnetischen Monopolantenne (ganz rechts) verbunden, die Teil des Resonators ist. Die linke Seite der Platine ist lediglich eine „Testfläche“. (Foto: University of Michigan).
Der Bluetooth-Sender (rechter Chip) ist mit einer magnetischen Monopolantenne (ganz rechts) verbunden, die Teil des Resonators ist. Die linke Seite der Platine ist lediglich eine „Testfläche“. (Foto: University of Michigan).
Forscher in den Vereinigten Staaten haben einen Bluetooth-Chip entwickelt, der extrem klein und energieeffizient ist. Er kommt elf Jahre (!) mit einer Knopfzelle aus. Das ist für alle Arten von Internet- und Things-Anwendungen sehr nützlich.

Bluetooth ist eine drahtlose Kurzstrecken-Funkverbindung zwischen Geräten. Viele Geräte besitzen einen Bluetooth-Transceiver, aber die kleinsten – zum Beispiel intelligente Glühbirnen – mussten bisher darauf verzichten, weil die Chips oft zu groß sind, um in kleine Geräte zu passen, und zudem zu viel Strom benötigen.

Antenne und Oszillator in einem

Forscher der University of Michigan haben nun eine Lösung für dieses Problem gefunden. Sie konnten den Chip verkleinern, indem sie zwei wichtige Komponenten – den Oszillator und die Antenne – zu einer Einheit zusammenfassten.

Ein normaler Sender besteht aus einem abstimmbaren HF-Oszillator, um die gewünschte Frequenz zu erzeugen, einem Leistungsverstärker, um die Amplitude zu erhöhen und schließlich einer Antenne, um das Signal zu senden. Das Forschungsteam kombinierte den Oszillator und die Antenne so, dass der Verstärker überflüssig wurde. Diese Erfindung wird als „Leistungsoszillator“ bezeichnet.

Resonator

Das Herz eines Oszillators besteht aus einem Schwingkreis: einer Spule und einem Kondensator. Die Energie bewegt sich zwischen dem Magnetfeld der Spule und dem elektrischen Feld des Kondensators hin und her. Die (Resonanz-) Frequenz dieses Vorgangs wird durch die Kapazität und die Induktivität bestimmt. In der neuen Schaltung setzten die Forscher die Antenne auch als Spule im Resonanzkreis ein. Da die Antenne nun als Spule fungiert, strahlt sie anstelle eines variierenden elektrischen Feldes nun ein Magnetfeld ab, was bedeutet, dass sie kleiner als üblich sein kann.

Antenne

Die modifizierte Antenne hat so nur noch eine Länge von 1,4 cm und funktioniert sogar besser als zuvor. Darüber hinaus ist die Antenne kreisförmig, so dass sie noch weniger Platz beansprucht. Das macht den Chip nicht nur kleiner, sondern auch energieeffizienter: Beim Senden beträgt die Leistungsaufnahme nur 0,6 mW. Das ist ideal für die Bluetooth-Variante Bluetooth Low Energy (BLE). Zwar ermöglicht sie im Energiesparmodus nur das Senden kleiner Datenmengen, was aber in vielen Fällen völlig ausreichend ist. Denken Sie zum Beispiel an Geräte, die am Körper getragen werden, wie ein Herzfrequenzmesser oder ein Glukosemonitor, die nur in längeren Intervallen einen Wert an ein Smartphone senden müssen.
 

Der im Netzteil untergebrachte Transformator (das Achteck unten links) erhöht den Wirkungsgrad. Der aktive Teil des Chips misst nur 0,5 mm² (Foto: University of Michigan).

Batterien

Bei einem solch niedrigen Verbrauch hält eine Knopfzelle elf Jahre. Das ist entscheidend, denn wenn das IoT in naher Zukunft so richtig loslegt, wird jeder Hunderte von vernetzten Geräten zu Hause haben, die alle mit dem Internet verbunden sein wollen. Wenn all diese Batterien in verhältnismäßig kurzen Intervallen ausgetauscht werden müssen, kommt man ja zu nichts anderem! Mit diesem neuen Chip aber können kleine Geräte sparsam arbeiten und lange Zeit ohne Batteriewechsel mit Geräten wie Router oder Smartphones verbunden werden, die die Informationen an das Web übertragen.

Quelle: IEEE Spectrum
 
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