Design of an Ultra-Low-Power Wireless Sensor for Automotive Applications

L'introduzione progressiva dell'elettronica all'interno del settore automotive ha posto in evidenza un certo numero di problematiche relative ai materiali impiegati, al montaggio dei sistemi, alla trasmissione dei dati provenienti da sistemi di misura e alla gestione del budget di potenza. La continua ricerca di nuove soluzioni che offrano vantaggi dal punto di vista delle prestazioni, ma mantenendo comunque un costo contenuto, ha indirizzato lo studio condotto in questo elaborato verso l'utilizzo della tecnologia RFID Radio Frequency IDentification, la quale viene ampliamente sfruttata nel settore logistico. Viene proposta una panoramica dei sistemi RFID, composti da un blocco, il quale generalmente viene montato al di sopra dell'oggetto da monitorare, che prende il nome di tag e da un secondo blocco denominato reader il cui compito principale è quello di inviare i comandi e ricevere i dati provenienti dal lato tag. Entrambe le unità sono composte da un circuito integrato, o chip, e da un'antenna, si differenziano tra di loro per dimensioni e tipi di antenna utilizzati. Ovviamente, per quanto riguarda il tag, si cerca di impiegare per questo tipo di applicazione dei componenti tali da occupare la minor area possibile per facilitarne il montaggio. A questo proposito, sono stati individuati diversi tipi di tag, divisi in categorie a seconda della presenza a bordo della batteria. Si possono avere tag attivi o semi-passivi, in cui è presente una forma di alimentazione primaria o un trasmettitore radio, oppure tag di tipo passivo, in cui non si ha la presenza né di una batteria né del trasmettitore. Per il progetto corrente viene presa in considerazione quest'ultima categoria in cui l'alimentazione viene fornita contestualmente all'invio dei comandi tramite il segnale a radiofrequenza e la risposta del tag sfrutta parzialmente l'energia inviatagli dal reader, tramite il meccanismo di backscattering dell'energia. Dal momento che della potenza incidente proveniente dal reader, solo parte di essa viene effettivamente ricevuta dal tag a causa degli ostacoli presenti durante il percorso seguito dalle onde elettromagnetiche, quali presenza di superfici riflettenti oppure materiali con costante dielettrica e perdite elevate, si analizzano diversi tipi di antenna e il loro comportamento all'interno di sistemi in cui siano presenti i fattori sopraelencati . Si vuole ricordare che, come indicato dagli enti di standardizzazione a cui si è fatto riferimento, i protocolli di comunicazione sono atti a massimizzare la potenza ricevuta durante la comunicazione reader-tag, ma è necessario che l'antenna sia adeguatamente adattata all'impedenza di carico, quale è il circuito integrato. Pertanto viene proposta una metodologia atta a realizzare il progetto dell'adattatore di impedenza, valutando tutte le possibili soluzioni tra quelle elencate in letteratura. In particolare viene tenuto in considerazione il fatto che l'impedenza di antenna varia al variare della frequenza, pertanto il progetto è stato realizzato relativamente ad una banda di frequenze in cui viene garantita la condizione di adattamento ideale o detta anche conjugate matching. Il fine ultimo è la realizzazione del circuito di adattamento data un'antenna e un circuito integrato, la cui topologia è interamente definita dal codice Matlab sviluppato per il progetto, studiato considerando l'utilizzo di componenti di tipo discreto.