Vorteile der elektromagnetischen Simulation im Zeitbereich für Automobilradargeräte

Zusammenfassung:

Dieses Whitepaper zeigt, wie die EM-Simulation von XFdtd eine schnelle Entwicklung ermöglicht, indem sie es Ingenieuren ermöglicht, die Leistung eines vollständig detaillierten Sensormodells zu bestimmen, das hinter einem Stück Blende installiert ist, ohne Prototypen bauen und Tests in einer schalltoten Kammer durchführen zu müssen. Die Analyse eines 25 GHz-Sensors bildet den Rahmen für die Diskussion.

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Trends in der Fahrzeugsicherheit bringen Radarsysteme auf ein höheres Genauigkeitsniveau und eine zuverlässige Zielerkennung für Anwendungen wie die Überwachung des blinden Flecks und die Warnung vor Querverkehr. Folglich sind die Anforderungen an die Automobilradar Sensoren in Frequenzbändern wie 24 GHz und 77 GHz werden immer strenger und die Ingenieure müssen besser verstehen, wie sich Designentscheidungen auf die Leistung auswirken. Die elektromagnetische Simulation im Zeitbereich fördert die schnelle Entwicklung, indem sie es Ingenieuren ermöglicht, die Leistung eines vollständig detaillierten Sensormodells zu bestimmen, das hinter einem Stück Blende installiert ist, ohne Prototypen bauen und Tests in einer schalltoten Kammer durchführen zu müssen. In diesem Artikel wird die Analyse eines 25 GHz-Sensors mit Hilfe von Remcoms XFdtd® Elektromagnetische Simulationssoftware (XF).

Abbildung 1: Obere und untere Schichten der RF-Karte

Analyse des RF-Boards

Das RF-Board - eine mehrschichtige Leiterplatte mit der Zuführstruktur und den Strahlungselementen - ist für das Design eines jeden Sensors entscheidend, da es der Ausgangspunkt für die Zielerkennung ist. Angesichts der Bedeutung benötigen Ingenieure ein Werkzeug, das ihnen hilft zu verstehen, welche Strukturen ihre Leistung beeinflussen.

Diese Boards, die häufig mit Werkzeugen von Cadence® oder Mentor Graphics® erstellt werden, enthalten Hunderte von Leiterbahnen, Vias und Oberflächen, die als CAD-Dateien in XF importiert werden. Abbildung 1 zeigt die Details der vier Schichten auf der RF-Karte nach dem Import. Dieses Board hat eine Größe von 88,5 mm x 57 mm x 1,4 mm, enthält 188 Objekte und hat Mikrostreifenstrukturen von nur 0,22 mm.

Eine Simulation der HF-Karte erzeugt die gleichen Ergebnisse, die auch aus Messungen gewonnen werden können: breitbandige S-Parameter oder Fernfeldgewinn und Richtwirkung. Als Designwerkzeug sind diese Ergebnisse auf Systemebene nicht sehr aussagekräftig. Sie dienen dazu, ein Design gegen ein anderes zu vergleichen oder festzustellen, ob ein Design seinen Anforderungen entspricht.

Ein Konstrukteur benötigt mehr als die üblichen Ergebnisse auf Systemebene, um ein Gerät zu verstehen und sein Design zu verbessern. XF kann auch berechnen:

  • Parasitäre Kopplung zwischen Leitern. S-Parameter und Bilder von Frequenzbereichsströmen bestätigen, dass eine parasitäre Kopplung vorliegt, aber sie leisten wenig, um das Problem zu identifizieren und zu beheben. Simulationsergebnisse im Zeitbereich, die mit Hilfe des Finite-Difference Time-Domain (FDTD) Methode ermöglichen es den Ingenieuren, zu sehen, wo die Kupplung auftritt, und das Layout neu zu gestalten, um dies zu verhindern.

  • Stromverteilung auf den Grundplatten. Bei 25 und 77 GHz sind Erdungsstrukturen keine Potentialausgleichsflächen mehr. Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, hat die Grundplatte an ihren Kanten starke Ströme - 10dB unter dem Maximum -, die bei der Konstruktion berücksichtigt werden müssen.

  • Auswirkungen von Sekundärquellen wie der Lokaloszillator (LO)-Linie. Sekundäre Quellen können sich an andere Leiter ankoppeln und sogar unbeabsichtigte Strahlung erzeugen. Beide Probleme können durch Simulationen identifiziert und quantifiziert werden.

Abbildung 2: Erdungskonstruktionen sind nicht in Ordnung.
Äquipotentialflächen

Analyse der HF-Platine mit Sensor

Ein richtig entwickeltes RF-Board ist ein Indikator für zukünftigen Erfolg, aber es gibt noch mehr zu tun, bevor die OEM-Spezifikationen erfüllt werden. Zunächst muss die HF-Platine in das Gehäuse des Sensors eingesetzt und durch ein Radom abgedeckt werden. Diese Strukturen werden die Leistung der Antenne verändern.

Abbildung 3: Erweiterte Ansicht des Vollsensors

Eine vergrößerte Ansicht des gesamten Sensormodells ist in Abbildung 3 dargestellt. Das Modell enthält das Radom, die HF-Platine, die Digitalplatine, das Gehäuse, den Datenanschluss und das Sensorgehäuse, die die Gesamtabmessungen auf 106 mm x 63 mm x 21 mm bringen.

Eine FDTD-Simulation beinhaltet die gesamte Komplexität des Modells, so dass keine Vereinfachungen für den Sensor erforderlich sind. Dies gibt den Ingenieuren ein realistischeres Bild davon, wie der Sensor funktioniert, wenn er gebaut ist. So ist beispielsweise der Datenanschluss eine relativ große Struktur, die sich nicht in unmittelbarer Nähe der Heizkörper befindet, so dass man ihn aus der Simulation entfernen kann, um den RAM-Bedarf zu reduzieren. Die Einbeziehung in die Simulation erhöht jedoch die Genauigkeit, da die Energie auf ihre Pins koppelt und dann von diesen dipolartigen Strukturen abgestrahlt wird.

Das Radom ist eine der wichtigsten Strukturen des Sensors, da es direkt vor den Antennenanordnungen sitzt und einen großen Einfluss auf die Abstrahlcharakteristik der Antenne haben kann. Durch die Parametrisierung des importierten Radommodells kann das Design an die gewünschte Leistung angepasst werden. Die Ergebnisse einer grundlegenden Parametersuche der Radomdicke sind in Abbildung 4 dargestellt. Die Parametrisierung der Geometrie und das Einrichten der Simulationen kann in wenigen Minuten erfolgen, was deutlich kürzer ist als die Zeit, die für die Erstellung und Messung von fünf verschiedenen Radomen in einem Labor benötigt wird.

Abbildung 4: Fernfeldgewinnergebnisse für verschiedene Radomdicken

Analyse des Sensors hinter der Blende

Letztendlich bestimmt die Leistung des installierten Sensors die Fähigkeit des Sensors, Ziele genau zu identifizieren. Hier sind die Ingenieure daran interessiert zu verstehen, wie Montagewinkel, Lackfarbe und Kurven in der Blende das Abstrahlverhalten der Antennen beeinträchtigen.

Blendenmodelle, die von einem OEM bezogen werden, können wie jedes andere CAD-Modell in XF importiert werden. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für ein Blendenmodell, das dem Sensor beiliegt. Der entsprechende Simulationsraum beträgt 195 mm x 204 mm x 74 mm.

Anwendungs- und Konstruktionsingenieure profitieren von der Simulation, da sie so die optimale Platzierung eines Sensors hinter einer Blende identifizieren oder Probleme mit einer Anlage beheben können. Ähnlich wie bei der Parametrisierung der Dicke des Radoms kann auch die Position des Sensors in Bezug auf die Blende parametrisiert werden. Dies, in Verbindung mit der Möglichkeit, gefangene Modi zwischen Radom und Blende zu visualisieren, ermöglicht es den Ingenieuren zu verstehen, welche Aspekte der Installation die Ergebnisse beeinflussen.

Abbildung 5: Sensor hinter der Blende montiert

Laufzeit und Speicherbedarf

Die Fähigkeit, Simulationen zeitnah durchzuführen, ist ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung des Nutzens eines Simulators. Die Kombination von Grafikprozessor-Technologie (GPU) und FDTD ermöglicht es Ingenieuren, mehrere Design-Iterationen viel schneller als bisher durchzuführen.

Abbildung 6: Laufzeit und Speicherbedarf

Die Grafik in Abbildung 6 vergleicht den Speicherbedarf und die Laufzeit für drei Simulationen: Nur RF-Karte, RF-Karte mit Vollsensor und Sensor mit Blende. Die Mikrostreifenstrukturen in der HF-Platine erzeugten eine minimale Zellgröße von 0,037 mm und die Rasterdefinition um die HF-Platine herum wurde beibehalten, da die Problemgröße mit der zusätzlichen Geometrie wuchs. Für den Benchmark verwendete XF vier NVIDIA® GPUs mit der Kepler-Architektur.

GPUs bieten eine massiv parallelisierte Rechenplattform mit 2.800 Kernen pro Karte. Der FDTD-Algorithmus nutzt diese Parallelisierung effizient aus und es werden häufig Geschwindigkeitsverbesserungen um das 50fache gegenüber CPUs erreicht. Diese Kombination ermöglicht es, dass der Vollsensor mit Fasziensimulationen in weniger als sieben Stunden abgeschlossen ist.

Zusammenfassung

Ingenieure gehen an die Grenzen der Sensorik, um die OEM-Anforderungen zu erfüllen und die Transportsicherheit zu verbessern. Die FDTD-Simulation bietet die Werkzeuge, die sie benötigen, um die Leistung einer Antenne zu verstehen. Auf Vorstandsebene können Quellen parasitärer Kopplung oder Schwankungen des Erdpotentials identifiziert und gemildert werden. Diese Art der Analyse reicht bis zur Optimierung von Radomstrukturen und der Bestimmung der besten Position für einen Sensor hinter einer Blende. In Verbindung mit der GPU-Technologie sind die Ingenieure in der Lage, diese Analyse in Stunden durchzuführen, was die gesamte Entwicklungszeit reduziert.