Passive RFID for automotive sensor applications

Abstract

Zukünftige Fahrzeugsensoren werden die aktiven und passiven Sicherheitssysteme von Autos und LKWs weiter verbessern. Ein besonders vielversprechender Ansatz ist das Erfassen von Reifendaten wie Temperatur, Vibrationen, Beschleunigungen und Reifendruck, indem Sensoren direkt in den Reifen montiert werden. Da sie jene Bauteile darstellen, welche die auftretenden Beschleunigungs-, und vor allem Bremskräfte übertragen, ist jede weitere Information über diese wichtigen Kraftübertragungselemente für Sicherheitssysteme hilfreich. Im Gegensatz zu der die in vielen Fahrzeugen bereits implementierten Reifendrucküberwachung mit in den Felgen montierten Sensoren, können die anderen erwähnten Parameter nur durch in den Reifen montierten Sensoren detektiert werden. Der besondere Vorteil von Beschleunigungsdaten aus den Reifen liegt in der Möglichkeit daraus direkt die Größe der Kontaktfläche der Reifen auf der Straße zu berechnen, die wiederum direkt proportional zu der maximalen Kraft ist die ohne Durchdrehen der Räder übertragen werden kann. In dieser Arbeit untersuche ich die Anwendbarkeit von passiver Ultra High Frequency (UHF) oder Mikrowellen-Radio Frequency IDentification (RFID) Technologie um mit direkt in den Reifen montierten Sensorknoten zu kommunizieren, und so ein Advanced Tyre Monitoring System (ATMS) zu realisieren. Zuerst konzentriere ich mich auf Antennen für die Onboard Unit (OU). Ich stelle vertikal polarisierte Doppelband-Antennen vor, welche die Bodenplatte eines Fahrzeugs gewinnbringend nutzen. Weiters präsentiere ich eine Antenne mit umschaltbarer Hauptstrahlrichtung (Switched Beam Antenna (SBA), die auf einen der vier Reifen eines Autos ausgerichtet werden kann. Um diese Antenne von der für sie schädlichen Bodenplatte des Fahrzeugs abzuschirmen, schlage ich eine frequenzselektive Struktur (FSS) vor, die nach dem Prinzip eines künstlichen magnetischen Reflektors (AMC) auf zwei Frequenzbändern arbeitet. Als nächstes behandelt meine Dissertation die breitbandige Trägerunterdrückung. Dieses Thema ist der Schlüssel zu RFID-Systemen, die hinsichtlich der Lesereichweite nur durch die Transponder-Empfindlichkeit limitiert sind. Theoretische Grenzen für die Unterdrückungsbandbreite werden abgeleitet und in Experimenten verifiziert. Ich präsentiere einen Vergleich von Trägerunterdrückungsabgleichalgorithmen und leite das Rausch- und Abweichungsverhalten eines neuen schnellen Algorithmus her. Diese Analyse wird ebenfalls mit Experimenten untermauert. Schlussendlich berichte ich über doppelbandige Kanalmessungen für ein auf RFID Technologie basierendes ATMS, wobei die zuvor charakterisierten Antennen Verwendung finden. Die Analyse dieser Messungen demonstriert, dass die Kommunikation mit UHF RFID basierten Sensoren in 75% aller Raddrehwinkel möglich ist, wenn aktuelle Tags mit zwei Antennen verwendet werden, und die Leistung an jenen Antennen summiert wird.

Future vehicular sensors will further increase active and passive safety systems of cars and trucks. One particular promising objective is to gather tyre data as temperature, vibration, acceleration and tyre pressure by mounting sensors in the tyres. Since they are the actual elements which transfer the occurring acceleration and - more important - deceleration forces, any additional information about these essential load transmission components aids safety systems. Whereas the tyre pressure is already monitored in many vehicles using sensors mounted at the rim, the other mentioned parameters are only retrievable for a tyre-mounted sensor. The particular benefit about the knowledge of the acceleration forces lays in the possibility to compute the tyre's contact area, which is directly proportional to the maximum force that is transferable without wheelspin. In this thesis, I evaluate the applicability of Ultra High Frequency (UHF) or microwave passive Radio Frequency IDentification (RFID) technology to communicate with tyre mounted sensor nodes to form an Advanced Tyre Monitoring System (ATMS). First, I focus on Onboard Unit (OU) antennas for this application. Vertically polarized dual-band antennas, which exploit the body floor pan beneficially, are presented and characterized. Further, a horizontally polarized Switched Beam Antenna (SBA) is developed, which is capable of steering a beam to one of the four tyres of a car. To shield this antenna from the deleterious metallic body floor pan, I propose, construct, and characterize two dual-band Frequency Selective Surface (FSS) structures based on the Artificial Magnetic Conductor (AMC) principle. Antenna measurements of the overall system are discussed. Next, my thesis addresses broadband leakage cancellation. This topic is the key to RFID systems that are range-limited only by the tag sensitivity. Theoretical bounds for the isolation bandwidth are derived and confirmed in experiments. I present a comparison of leakage canceller adjustment algorithms, and derive the estimation noise and bias of a novel, fast algorithm. Again, this analysis is experimentally confirmed. Finally, I report on dual-band channel measurements for RFID-based ATMS using previously characterized antennas. The analysis of these measurements demonstrates, that communication with UHF RFID-based sensors is feasible in 75% of all possible rotational angles, using state-of-the-art dual-antenna RFID tags and power combining.