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GEBIET DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Kraftfahrzeugsicherheitssysteme und insbesondere ein NFC-Kartenlesegerät zum Erlangen von Zugang zu und zum Steuern der Aktivierung eines Transportfahrzeugs, wie etwa eines Kraftfahrzeugs.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Schlüsselloser Zugang und Drucktastenstart sind beliebte Merkmale bei Personenkraftwagen, wie etwa Autos und Lastwagen. Anstelle eines herkömmlichen mechanischen Schlüssels trägt ein Benutzer ein Gerät (z. B. einen Schlüsselanhänger oder ein Smartphone), die den Benutzer drahtlos authentifiziert, um Zugang zu dem Fahrzeug zu erlangen (z. B. Entriegeln der Tür), um das Fahrzeug zu aktivieren (z. B. Zündung einer Brennkraftmaschine oder Aktivieren eines Antriebsstrangs eines Elektrofahrzeugs) und andere Funktionen durchzuführen.
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Nahfeldkommunikation (NFC) ist eine Art von drahtloser Schnittstelle, die verwendet wird, da die sehr kurze Übertragungsreichweite es Dritten erschwert, Sicherheitsdaten abzufangen und zu kopieren. NFC-Hardware ist in vielen Smartphones beinhaltet, sodass eine geeignete App, die auf dem Smartphone installiert ist, dazu konfiguriert sein kann, als Smartkey für den Benutzer zu arbeiten. Zusätzlich werden auch dedizierte NFC-basierte Funkschlüssel verwendet. Im Fall eines Schlüsselanhängers kann ein batterieloses RFID-Gerät verwendet werden, die ihre Leistung während eines Lesevorgangs von dem Fahrzeug bezieht. Digitale Schlüsselprotokolle behalten die Fahrzeugsicherheit bei, während sie die gemeinsame Nutzung und Verwaltung des Fahrzeugzugangs ermöglichen. Zum Beispiel wurde ein Digitalschlüsselstandard durch das Car Connectivity Consortium veröffentlicht.
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Für ein NFC-basiertes Sicherheitssystem eines Fahrzeugs kommuniziert die tragbare NFC-Einheit, die durch den Benutzer getragen wird, mit einer festen NFC-Einheit (z. B. einem NFC-Kartenlesegerät), die an dem Fahrzeug montiert ist. Ein NFC-Lesegerät zum Erlangen von Zugang zum Fahrzeug (z. B. zum Entriegeln einer Tür) kann unter einer B-Säulen-Applikation montiert sein (z. B. an der vertikalen Säule, die sich zwischen den Fenstern einer vorderen Tür und einer hinteren Tür auf einer Seite des Fahrzeugs befindet). Eine derartige Stelle befindet sich in unmittelbarer Nähe zu einer aus Blech gefertigten Karosserieplatte (z. B. daran befestigt). Innerhalb des Fahrzeugs kann der Zugriff auf andere Funktionen, wie etwa das Starten einer Fahrzeugzündung, über ein NFC-Kartenlesegerät gesteuert werden, das an einer inneren Metallplatte, wie etwa einer Instrumententafel, montiert ist. Da sich die Antennenspule des NFC-Kartenlesegeräts in der Nähe einer darunterliegenden Metallplatte befindet, werden innerhalb der Metallplatte Wirbelströme induziert, die ein entgegengesetztes Magnetfeld erzeugen, das einen Teil des Flusses der Antennenspule aufhebt, was zu einer Reduzierung der Kopplung zwischen den Antennenspulen des NFC-Lesegeräts und des Mobilgeräts führt. Folglich kann sich eine große Verringerung der Lesereichweite oder Effizienz des NFC-Systems ergeben.
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Ein typischer Ansatz, um diese unerwünschte Kopplung abzuschwächen, besteht darin, eine Ferritfolie (z. B. eine magnetische Abschirmung, die aus magnetisierbarem, nicht leitendem Material gebildet ist) zwischen dem Lesegerät und der Karosserieplatte zu verwenden. Obwohl die magnetische Permeabilität des Ferrits dabei hilft, den Fluss zu leiten und die Wirbelströme zu reduzieren, ist das Ferritmaterial relativ teuer. Darüber hinaus kann die Leistung der Ferritfolie unzuverlässig sein, da die Permeabilität des Ferrits temperaturabhängig ist. Da Fahrzeugsysteme über einen großen Temperaturbereich betrieben werden müssen, kann eine erschwingliche Ferritfolie die ordnungsgemäße Entkopplung über den gesamten Temperaturbereich nicht bereitstellen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung verwendet eine „magnetische Wand“, die aus einem Nicht-FerritMaterial gebildet ist, um die große Verringerung der Lesereichweite oder der Effizienz des NFC-Systems zu vermeiden, die üblicherweise durch die darunterliegende Karosserieplatte verursacht wird, die aus Blech hergestellt ist. Eine überlegene magnetische Abschirmwirkung wird ohne die mit Ferritfolien zusammenhängende Temperaturabhängigkeit erzielt. Die Erfindung kann leicht mit geringen Kosten und ohne zusätzliche Komplexität für die Kartenlesegeräteinheit hergestellt werden. Die Abschirmstruktur kann zum Beispiel auf der Rückseite eines herkömmlichen PCB-Substrats mit der NFC-Lesegerätspule auf der Vorderseite gebildet sein.
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In einem Aspekt der Erfindung wird ein Nahfeldkommunikations-(NFC-) Lesegerätmodul zum Montieren über einer Metallplatte eines Fahrzeugs bereitgestellt. Ein Gehäuse, das dazu konfiguriert ist, benachbart zu der Metallplatte montiert zu werden, enthält eine ebene Anordnung nichtmagnetischer HF-Filterelemente in dem Gehäuse in der Nähe der Metallplatte. Das Gehäuse enthält eine planare Antennenspule, die dazu konfiguriert ist, mit einem externen NFC-Gerät gekoppelt zu werden, das von einem Benutzer getragen wird, wobei die Anordnung von HF-Filterelementen zwischen der planaren Antennenspule und der Metallplatte angeordnet ist, um die planare Antennenspule von der Metallplatte magnetisch zu entkoppeln. Das Gehäuse enthält eine Empfängerschaltung, die dazu konfiguriert ist, NFC-Signale von dem externen NFC-Gerät zu entschlüsseln.
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Figurenliste
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- 1 bildet ein Fahrzeugsystem ab, das einen schlüssellosen Zugang unter Verwendung eines an einer B-Säule installierten NFC-Kartenlesegeräts aufweist, das mit einem Mobilgerät in Form eines Smartphones interagiert.
- 2 ist eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht eines Abschnitts eines Kartenlesegeräts in Bezug auf eine Blechplatte.
- 3 zeigt Wirbelströme, die in einer Blechplatte durch Strom induziert werden, der in einer Antennenspule fließt.
- 4 zeigt die Reduzierung von Wirbelströmen durch Einführen einer Ferritfolie zwischen die Antennenspule und die Blechplatte aus 3.
- 5 ist eine Draufsicht, die eine Anordnung von HF-Filterelementen auf einem Substrat zeigt.
- 6 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines NFC-Kartenlesegerätmoduls an einer Karosserieplatte.
- 7 ist eine perspektivische Ansicht, die eine räumliche Beziehung von NFC-Antennenspulen und einer Anordnung von HF-Filterelementen während eines Lesevorgangs zeigt.
- 8 ist eine Draufsicht auf die Antennenspulen und HF-Filterelemente aus 7.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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NFC-Einstiegs- und -Startfunktionen ermöglichen es einem Benutzer, sein Fahrzeug unter Verwendung eines NFC-fähigen Geräts (z. B. Schlüsselkarte oder Smartphone) als Fahrzeugschlüssel zu entriegeln und zu starten. Um das Fahrzeug zu entriegeln, hält der Benutzer sein NFC-fähiges Gerät nahe einem äußeren NFC-Lesegerät des Fahrzeugs. Um den Start zu autorisieren (z. B. Zündung einer Brennkraftmaschine oder Aktivierung eines elektrischen Antriebsstrangs) und das Fahrzeug wegzufahren, hält der Benutzer sein NFC-fähiges Gerät in der Nähe eines inneren NFC-Lesegeräts des Fahrzeugs oder platziert es darauf.
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Unter Bezugnahme auf 1 beinhaltet ein Fahrzeug 10 eine B-Säule 11, die eine NFC-Kartenlesegeräteinheit 12 enthält (die vorzugsweise an einer darunterliegenden Blechkarosserieplatte befestigt und durch eine dekorative Applikation abgedeckt ist). Eine mobile NFC-Einheit, wie etwa ein Smartphone 13, kann in unmittelbare Nähe zu der Lesegeräteinheit 12 gebracht werden, um drahtlose Signale einschließlich eines digitalen Schlüssels zum Zugreifen auf sichere Merkmale des Fahrzeugs 10 auszutauschen. 2 zeigt eine Blechkarosserieplatte 15. Die Lesegeräteinheit 12 beinhaltet eine Lesegerätspulenantennenplatine 16, die durch ein Kabel 18 mit einer Hauptelektronikplatine 17 verbunden ist. Die Antennenplatine 16 kann ein Substrat beinhalten, das (eine) Leiterbahn(en) 19 trägt, die einem Spulenpfad folgt, um eine NFC-Antenne zu bilden. Aufgrund der engen Platzierung der NFC-Antennenspulenspur 19 an dem Blech 15 könnte die Antennenleistung beeinträchtigt sein.
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3 zeigt eine planare Antennenspule 20, die über einer elektrisch leitfähigen Folie 21 angeordnet ist. Wenn ein Strom in der Spule 20 fließt, wird ein Magnetfeld 22 induziert, das senkrecht durch das Blech 21 schneidet. Da sich der Antennenstrom ändert, induziert eine sich ändernde Größe des Magnetfelds 22 einen kreisförmigen Fluss von Wirbelströmen 23 in dem Blech 21. Die Wirbelströme 23 wiederum induzieren ein Magnetfeld, das dem Magnetfeld 22 entgegengesetzt ist, wodurch der Antennenstrom unterdrückt und die Effizienz der Übertragung von NFC-Signalen an die NFC-Lesegeräteinheit reduziert wird. Eine bekannte Lösung, um den Effizienzverlust zu mindern, bestand darin, eine in 4 gezeigte Ferritfolie 24 zwischen die Spule 20 und die leitende Folie 21 einzuführen. Die Ferritfolie 24 ist magnetisierbar, aber elektrisch isolierend. Das durch den Strom in der Spule 20 induzierte Magnetfeld 25 wird von der leitenden Schicht 21 abgelenkt, und ein viel kleinerer Wirbelstrom 26 bedeutet, dass jedes durch Wirbelströme induzierte aufhebende Magnetfeld stark reduziert wird, solange die Temperatur in einem Bereich bleibt, in dem die Flusstragfähigkeit der Ferritfolie ausreichend ist. Für praktische Ferritmaterialien kann ein derartiger Temperaturbereich jedoch in einer Automobilumgebung nicht aufrechterhalten werden können.
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Die vorliegende Erfindung verwendet nichtmagnetische Materialien (z. B. Nicht-Ferrit-Materialien), um zu verhindern, dass das Magnetfeld der NFC-Spule die Blechkarosserieplatte erreicht. Nur elektrisch leitfähige Strukturen sind erforderlich, sodass die Leistung im Wesentlichen nicht von der Temperatur beeinflusst wird. Insbesondere kann eine verteilte Spiralresonatoranordnung mit offenen Enden verwendet werden, um die Ferritreaktion nachzuahmen und die Kopplung des NFC-Lesegeräts an das Blech der Autokarosserie zu beseitigen. Wie in 5 gezeigt, trägt ein Substrat 30 ein Array 31 aus einer Vielzahl von Zeilen und Spalten von HF-Filterelementen 32. Jedes HF-Filterelement bildet eine Mehrfachspule (z. B. Spirale), die elektrisch von den umgebenden Filterelementen isoliert ist. Jedes HF-Filterelement ist dazu ausgelegt, eine Eigenresonanzfrequenz bereitzustellen, die mit einer Frequenz in dem von den NFC-Signalen verwendeten Frequenzband übereinstimmt (z. B. etwa 13,56 MHz). Zusammenwirkend erzeugen die HF-Filterelemente 32 ein HF-Sperrband bei Frequenzen um die Eigenresonanzfrequenz und räumlich über die Anordnung 31, die das darunterliegende Blech von den NFC-Signalen abschirmt und die Erzeugung von Wirbelströmen vermeidet. Die HF-Filterelemente 32 können unter Verwendung herkömmlicher PCB-Techniken mit minimalen zusätzlichen Kosten und ohne zusätzliche Komplexität für die Umsetzung einfach als Leiterbahnen auf der Rückseite einer Leiterplatte (printed circuit board - PCB) hergestellt werden, die die Lesegerätspule trägt. Wie bei der Antennenspule kann Kupfer für die Herstellung der HF-Filterelemente mit vernachlässigbarer Temperaturabhängigkeit verwendet werden.
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Da sowohl die Energieübertragung als auch die Datenkommunikation für den NFC-Betrieb wichtig sind, ist es wünschenswert, den Kopplungskoeffizienten zwischen den Antennenspulen des NFC-Lesegeräts und des mobilen NFC-Geräts zu maximieren (z. B. um eine gute Leistungsübertragung auf eine RFID-Karte über eine nützliche Lesereichweite zu unterstützen). Der Kopplungsfaktor ist das Verhältnis des von der mobilen Karte aufgenommenen Magnetflusses geteilt durch den von dem Lesegerät erzeugten Magnetfluss, der wie folgt berechnet werden kann:
wobei M die gegenseitige Kopplung der Lesegerät- und Kartenspule ist und L
1 und L
2 die Selbstinduktivität der Karten- bzw. Lesegerätspule sind. Eine typische NFC-Antennenspule in einem mobilen NFC-Gerät, wie etwa einem Smartphone, kann rechteckige Wicklungen beinhalten, die aus Kupferbahnen mit einer Breite von 0,5 mm, die durch 0,5 mm voneinander beabstandet sind, und mit 2 Wicklungswindungen, die eine Fläche von 68,3 mm x 51,9 mm abdecken, gebildet sind. Eine beispielhafte NFC-Lesegerätantennenspule beinhaltet rechteckige Wicklungen, die aus Kupferbahnen mit einer Breite von 0,5 mm, die durch 0,5 mm voneinander beabstandet sind, und mit 3 Wicklungswindungen, die eine Fläche von 40 mm x 40 mm abdecken, gebildet sind. In Simulationen unter Verwendung der vorstehenden Abmessungen für die Antennenspulen sowohl mit als auch ohne das Vorhandensein des Karosserieblechs wird festgestellt, dass der Kopplungskoeffizient von etwa 17,85 % auf etwa 8,99 % abnimmt, wenn das Blech aufgrund des Flussaufhebungseffekts des Blechs vorhanden ist.
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Um eine Eigenresonanzfrequenz von etwa 13,56 MHz zu erlangen, können die in 5 gezeigten HF-Filterelemente 32 als Spiralresonatoren ausgebildet sein, die einen Innenradius von 1,6 mm aufweisen, der mit 3 Windungen einer Kupferspur mit einer Breite von 0,5 mm gebildet ist und bei dem die Windungen um 0,5 mm getrennt sind. Die Abmessungen und Windungen eines HF-Filterelements können durch Lösen von Maxwell-Gleichungen gemäß der gewünschten Eigenresonanzfrequenz bestimmt werden. Um eine effektive Abschirmung aufrechtzuerhalten und die Herstellung zu erleichtern, ist jedes Spiralelement von benachbarten Elementen um 1,6 mm getrennt. Unter Einbeziehung der Anordnung 31 mit HF-Filterelementen 32 in den Simulationen, die einen Bereich zwischen dem Blech und der Lesegerätantennenspule überspannen, wird der Kopplungskoeffizient wieder auf 17,85 % wiederhergestellt, wodurch die starke Kopplung zwischen den Spulen und dem Karosserieblech beseitigt wird.
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6 zeigt ein NFC-Lesegerätmodul 40, das über einer Metallplatte 41 montiert ist. Das Modul 40 beinhaltet ein Gehäuse 42, wie etwa eine geformte Kunststoffbox oder - aufnahme. Ein Substrat 43 (z. B. einer Leiterplatte) weist Leiterbahnen 44 auf, die eine planare Antennenspule definieren, die dazu konfiguriert ist, mit einem externen NFC-Gerät (z. B. RFID-Karte oder einem Smartphone) gekoppelt zu werden, das von einem Benutzer getragen wird. Das Substrat 43 ist in dem Gehäuse 42 montiert, sodass die Antennenspule der Leiterbahn 44 benachbart zu einer Außenseite des Gehäuses 42 ist, sodass die Verwendung das Mobilgerät in der Nähe platzieren kann. Ein weiteres PCB-Substrat 45 trägt eine Empfängerschaltung (z. B. eine integrierte Schaltung 46), die dazu konfiguriert ist, NFC-Signale von dem externen NFC-Gerät zu entschlüsseln, wie auf dem Fachgebiet bekannt. Eine ebene Anordnung 47 von nichtmagnetischen HF-Filterelementen ist ebenfalls in dem Gehäuse 42 und auf einer Innenseite (nach hinten gewandten Seite) des Substrats 43 angeordnet. Die Anordnung 47 befindet sich in der Nähe der Metallplatte (d. h., die Anordnung 47 ist zwischen der Metallplatte 41 und der planaren Antennenspule der Spur 44 angeordnet), um die planare Antennenspule von der Metallplatte magnetisch zu entkoppeln. Anstatt auf dem Substrat 43 gebildet zu werden, kann die HF-blockierende „Wand“ als eine separate Komponente gebildet werden. Zum Beispiel kann ein Substrat 48 an einer Unterseite (oder das eine Unterseite bildet) des Gehäuses 42 verwendet werden, um eine Anordnung 49 von HF-Filterelementen zu tragen. Darüber hinaus könnte ein Substrat verwendet werden, das sowohl die Anordnung von HF-Filterelementen als auch einige oder alle der Empfängerschaltungen trägt.
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7 zeigt eine räumliche Beziehung von Abschnitten eines Fahrzeugs, eines Kartenlesegeräts und eines Mobilgeräts während einer NFC-Kommunikation. Eine Lesegerätspule 50 befindet sich an der Oberseite der festen Fahrzeugstrukturen. Unterhalb und benachbart zu der Lesegerätspule 50 befindet sich eine Anordnung 51 von HF-Filterelementen 52, die die Lesegerätspule 50 von einer Fahrzeugblechplatte 53 trennt. Über der Lesegerätspule 50 befindet sich eine mobile Antennenspule 54 eines tragbaren Geräts, die durch den Benutzer in unmittelbarer Nähe platziert wird, um eine Nahfeldkommunikation zu ermöglichen.
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Wie in 8 gezeigt, sind die HF-Filterelemente 52 über eine vorbestimmte Region verteilt, die durch die äußersten Zeilen und Spalten der Anordnung 51 definiert ist. Die Lesegerätantennenspule 50 weist eine horizontale Erstreckung D1 und eine vertikale Erstreckung D2 auf, die eine entsprechende Grundfläche definieren. Die Anzahl der Zeilen und Spalten in der Anordnung 51 ist derart gewählt, dass die vorbestimmte Region eine Ausdehnung aufweist, die größer als die Ausdehnung der Grundfläche der Antennenspule 50 ist. Da die HF-Filterelemente 52 über einem Bereich angeordnet sind, der sich seitlich über die Grundfläche hinaus erstreckt, ist die Entkopplung der Antennenspule 50 von dem Blech abgeschlossen. Um die manuelle Ausrichtung zu unterstützen, ist die Größe der Antennenspule 54 des Mobilgeräts größer als die Größe der Antennenspule 50. Die Antennenspule 54 weist eine horizontale Erstreckung D3 und eine vertikale Erstreckung D4 auf. In einigen Ausführungsformen kann der vorbestimmte Bereich der HF-Filterelemente 52 auch größer als die Ausdehnungen der mobilen Antennenspule 54 sein, um die Spulenkopplung zu maximieren, selbst wenn die Spulen nicht genau ausgerichtet sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht jedes HF-Filterelement aus einer entsprechenden Eigenresonanzspulenbahn, die eine Eigenresonanzfrequenz aufweist, die mit einer Frequenz der NFC-Signale übereinstimmt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die HF-Filterelemente über einem Bereich angeordnet, der sich lateral über eine Grundfläche der planaren Antennenspule hinaus erstreckt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht die Metallplatte aus einem Blech, das eine äußere Karosseriefläche des Fahrzeugs bildet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die äußere Karosseriefläche eine B-Säule.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht die Metallplatte aus einer Instrumententafel in einem Inneren des Fahrzeugs.
