EM-Simulation von Fahrzeug-Radarsystemen, die in Stoßfängern montiert sind.

Zusammenfassung:

Trends in der Fahrzeugsicherheit bringen Radarsysteme auf ein höheres Genauigkeitsniveau und eine zuverlässige Zielerkennung für die Erkennung des blinden Flecks und die Unterstützung bei der Kollisionsvermeidung. Folglich müssen die Ingenieure besser verstehen, wie Montagehalterungen, Blenden, Lackfarben und Stoßfängerbaugruppen die Fernfeldabstrahlcharakteristik von 24 GHz und 77 GHz Autoradarsystemen beeinflussen. Die elektromagnetische (EM)-Simulation, die seit langem für Antennensimulationen mit niedrigerer Frequenz (und längerer Wellenlänge) verwendet wird, einschließlich der Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation, kann nun auch eine High-Fidelity-Analyse über den idealen 24-GHz- und 77-GHz-Sensor hinaus durchführen, um das Antennenpaket und die das Gerät umgebenden Karosseriemerkmale einzubeziehen.  

In diesem Beitrag wird ein 24-GHz-Sensor verwendet, um Unterschiede zwischen der Simulation eines eigenständigen Sensors und eines in einem Fahrzeug montierten Sensors zu diskutieren. Effizient Finite-Differenz-Zeitbereich (FDTD) EM-Analyse, kombiniert mit einer dramatischen Rechenbeschleunigung über CUDA-fähige Grafikprozessoren (GPUs), machen es möglich. Remcom's XFdtdein völlig beliebiges 3D-EM-Simulationstool, eine optimale Wahl für die Simulation eines Antennen-in-System-Designs mit dieser Komplexität.  

Laden Sie das Papier herunter.....

Die XFdtd-Simulation eines 24 GHz-Sensors, der in der hinteren Stoßstange einer Limousine montiert ist, bildet den Rahmen für die Diskussion in diesem Beitrag.

Design-Herausforderungen bei hohen Frequenzen

Die kürzeren Wellenlängen von 24 GHz und 77 GHz stellen Herausforderungen an das Design dar, die bei Anwendungen mit niedrigeren Frequenzen nicht vorhanden sind, wie z.B. die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Fahrzeug bei 5,9 GHz. Auf der Sensorebene werden die Strukturen in den Leiterplattenlagen elektrisch groß und können zu unerwarteten Störungen führen. Ebenso kann die Dicke der Blende bei der Montage des Sensors in einem Fahrzeug die abgestrahlten Wellen verzerren und unerwünschte Reflexionen verursachen. Einige dieser Probleme führen zu Änderungen im Design des Sensors, während andere besser durch Richtlinien für Automobilhersteller gelöst werden können. Unabhängig davon benötigen Ingenieure ein Werkzeug, das eine High-Fidelity-Analyse ermöglicht und es ihnen ermöglicht, Probleme in ihrem Design aufzuspüren und dabei alle Aspekte zu berücksichtigen, die die Leistung eines Sensors beeinflussen.

Radar ist von Natur aus Zeitbereich.

Radar ist ein inhärenter Zeitbereichsprozess: Ein Signal wird von einem Sender ausgesendet, reflektiert von einem Objekt und kehrt zum Empfänger zurück. Während ein Großteil des Radardesigns auf Systemebene mit mathematischen Signalverarbeitungskonzepten stattfindet, können Signalintegritätsprobleme auf der lokalen Radarplatine auftreten und die Gesamtleistung des Radarsystems negativ beeinflussen. Wenn man sich nur den Frequenzgehalt dieser unerwünschten Strom- oder Spannungs-Problembereiche ansieht, kann es sein, dass die Informationen nicht ausreichen, um das Radarsystem gründlich zu entwerfen oder zu überprüfen.  

Die FDTD EM-Simulation hat die Fähigkeit, die Bewegung von Signalen als Funktion der Zeit darzustellen. Das Verfolgen der Quelle eines bestimmten Stroms oder einer bestimmten Spannung, die in einen Problembereich in der Schaltung gelangt, kann die Wurzelquelle eines Leistungsproblems in einer Radarvorrichtung aufdecken. Das Problem kann durch eine unerwünschte Kopplung zwischen den Signalspuren auf der Platine entstehen. Das Problem kann darauf zurückzuführen sein, dass die Energie von der Antenne oder einem anderen Teil der Schaltung mit hoher Güte herunterfällt. Diese zeitabhängigen Phänomene lassen sich mit einem reinen Frequenzbereichsansatz nicht klar erkennen; für die Suche nach solchen Problemen ist eine Zeitbereichssimulation erforderlich.  

Zeitbereichsfelder zeigen Interaktionen innerhalb des Sensors an.

Sobald der Sensor an einem Fahrzeug montiert ist, können Störungen an der empfangenen Antenne die Zielerkennung erschweren. Diese Störungen können durch einen Resonanzaufbau in der Stoßfängeranordnung oder durch Reflexionen an den Montagehalterungen verursacht werden. Die FDTD EM-Simulation und die GPU-Computertechnologie ermöglichen es nun, größere Strukturen, wie z.B. den Stoßfänger oder das Backend eines Autos, in die Simulation von Fahrzeugradargeräten einzubeziehen. Hochpräzise EM-Simulationen von 24 GHz oder 77 GHz Radar in Automobilstoßfängern können Anwendungstechnikern und ihren Kunden helfen, die Antennenleistung gründlich zu überprüfen und zu untersuchen, wie sie sich während des Designzyklus mit der Fahrzeugstruktur und den Materialien ändert.

Verteilung der elektrischen Felder 1,8 ns nach dem Start.

Die obigen Abbildungen vergleichen elektrische Felder, wie sie vom Sensor wegstrahlen. Im Gegensatz zum Stand-alone-Gehäuse auf der rechten Seite zeigt das Gehäuse auf der linken Seite die Faszienfangwellen. Dies ist unerwünscht, da es die gesendeten Felder verzerrt und weil die eingeschlossenen Felder zurück in den Empfänger reflektieren und Störungen verursachen.

Die Parametrisierung geht über die Antenne hinaus.

Fahrzeugradar Design muss mehr analysieren und simulieren als nur die idealen Eigenschaften der Frequenzbereichsantenne. Verpackungsdetails in der Nähe der Antenne sowie der Fahrzeugkarosserie mit einem Meter Abstand zur Antenne beeinflussen auch die Fernfeldmuster der Antenne und die Leistung des Radarsystems. Beginnend direkt in der Antennenkonstruktion kann die Ausrichtung mehrerer Schichten (Registrierung) während der Montage die Leistung der Antenne beeinträchtigen. Die Kanteneffekte eines Leiterplattendielektrikums, Montageschrauben, die die Leiterplatte an einem Gehäuse halten, und jede Verpackungsabdeckung oder Radom über der Antenne können das Antennenabstrahlungsmuster verändern oder Reflexionen im Zeitbereich zurück zur Antenne verursachen, die nicht im Design auf Systemebene auftreten. Wenn Sie über die Verpackung der Radarvorrichtung hinausgehen, wirken sich die Stoßstange und der gesamte nahegelegene Teil des Fahrzeugs auch auf die Leistung der Antenne und des Radarsystems aus. Unter Berücksichtigung von Fahrzeug- und Stoßfängermaterialien, Formen, Abmessungen und Geräteverpackung ergeben sich viele Variablen, die beim Entwurf von Radarsystemen zu untersuchen sind.

Ein Ansatz zur Prüfung mehrerer Variationsdimensionen - Stoßfängermaterialien, Lackbeschichtungen und Dicken - ist über Parameter-Sweeps in der EM-Simulation. Die meisten in einer Simulation spezifizierten Größen können so über eine Variable erfolgen und somit automatisch über einen Wertebereich gekehrt werden. Parametrische Sweeps können Geometrien variieren, wie z.B. die Einbaulage der Kfz-Radarvorrichtung horizontal entlang der Stoßstange und um ihre Kurvenecke. Verschachtelte Sweeps, die mehr als einen Parameter auf einmal variieren, sind nützlich, um den Designraum frühzeitig im Designzyklus zu erforschen und wertvolle Erkenntnisse und Intuition über die Systemleistung zu gewinnen. Sensitivitätsanalysen und -optimierungen ändern auch Parameterwerte in mehreren Simulationsiterationen; diese werden typischerweise später im Designzyklus zur Validierung verwendet.  

 

Die parametrische Analyse wird zur Verbesserung der Designleistung eingesetzt.
 

 

Größe der Fahrzeugsimulation in Bezug auf die Wellenlänge

Die Simulation individueller Antennenstrukturen und deren Fernfeldabstrahlungsmuster ist seit vielen Jahren ein fester Bestandteil der EM-Simulationssoftware. Dazu gehören sowohl freistehende Antennen als auch On-Chip-Antennen, die eng mit Verstärkern in integrierten Schaltungen (ICs) verbunden sind. In jüngerer Zeit, mit dem Aufkommen des 64-Bit-Computings und der Zunahme des Arbeitsspeichers, den es für individuelle Simulationen zur Verfügung stellt, hat sich die EM-Simulation erweitert und umfasst nun Antennen und Fahrzeuge zusammen; das Fahrzeug könnte jedoch in einer anderen EM-Formulierung dargestellt werden, die nur das Oberflächenmetall eines Autos, Satelliten, Schiffes oder Flugzeugs betrachtet.

Die Herausforderung, eine hochpräzise Simulation von Antennenstrukturen und Fahrzeugen zusammen mit einer völlig beliebigen 3D-EM-Simulation zu erreichen, bestand in der Größe des Simulationsproblems, das oft in Bezug auf die Anzahl der Elemente im Netz oder den Speicherverbrauch des Problems beschrieben wird. Eine Simulation, die zu viele GB RAM benötigt, wird unpraktisch, entweder weil sie zu viele Stunden dauert oder weil die Simulation die verfügbare Computerhardware vollständig übersteigt.

GPUs reduzieren die Simulationszeit bei Problemen mit 4 GB und 20 GB.

Die EM-Simulation einer Antenne skaliert im Allgemeinen mit der Signalfrequenz, da die EM-Simulationsgenauigkeit weitgehend auf der Anzahl der Gitterzellen pro Wellenlänge basiert. Eine Halbwellenlängen-Dipolantennensimulation benötigt etwa die gleiche Simulationszeit bei niedrigen oder hohen Frequenzen, da die Größe der Meshzelle basierend auf der Wellenlänge auf die Antennendimension skaliert. Die Simulation einer auf einem Fahrzeug montierten Antenne in einer völlig beliebigen 3D-EM-Simulation beinhaltet beide Strukturen. Eine höhere Signalfrequenz bedeutet eine kleinere Wellenlänge und eine kleinere Zellgröße ist erforderlich, um die Antenne unterzubringen. Dieses kleinere Netz bedeutet, dass mehr Netzzellen verwendet werden, um die Teile des Autos zu simulieren.  

Die Maschenweite kann innerhalb einer Simulation variieren, wobei größere Maschenzellen von 1,25 mm um große physikalische Merkmale wie Stoßfängerbaugruppen und kleinere Maschenzellen von 0,04 mm um feinere Geometrien wie die Einspeisestruktur der Antenne eines Sensors herum angeordnet sind, aber es gibt immer eine Grenze für den Bereich der Maschenweite, die für eine einzelne Simulation praktisch oder genau ist. Die Möglichkeit, nun ein Hochfrequenzradargerät und eine Antenne zusammen mit der Stoßfängerfläche eines Fahrzeugs in einer völlig beliebigen 3D-EM-Simulation zu simulieren, ist ein Vorteil des FDTD-Verfahrens der EM-Simulation. FDTD bietet sowohl die Möglichkeit, die Maschenweite linear mit der Problemgröße zu skalieren als auch enorme Effizienzgewinne mit CUDA-fähigen GPU-Systemen zu erzielen.  

FDTD-Simulationsskalen linear mit Problemgröße

In der Welt der völlig beliebigen 3D-EM-Simulation gibt es Formulierungen im Frequenz- und Zeitbereich. Obwohl beide Typen stationäre Frequenzbereichsdaten, einschließlich S-Parameter, simulieren können, gibt es Unterschiede in der Geschwindigkeit, mit der die Simulationszeit mit zunehmender Größe des Simulationsproblems wächst. Es gibt Formulierungen zur EM-Simulation im Frequenzbereich, bei denen die Simulationszeit mit einer Rate von n-squared wächst, wobei n die Problemgröße ist. Einer der Vorteile der FDTD-Simulation für große Problemgrößen besteht darin, dass die Ausführungszeit der Zeitdomänensimulation nur linear mit zunehmender Simulationsgröße wächst1. Je größer die Problemgröße, desto größer ist der relative Nutzen der Zeitbereichssimulation gegenüber der Frequenzbereichssimulation.  

Zeitbereichssimulatoren führen eine komplette Simulation für jeden Port in einem Design durch. Im Allgemeinen müssen Frequenzbereichssimulatoren dies nicht tun. Für einige Simulationen mit vielen Ports kann eine EM-Formulierung im Frequenzbereich, wie beispielsweise die Finite-Elemente-Methode (FEM), eine gute Wahl sein. Für eine Antennenanwendung, die nicht viele Signalports in ein Design einbezieht, hat die Zeitdomänensimulation den Vorteil bei großen Problemgrößen.  

FDTD parallelisiert gut mit GPUs.

Ein gängiger Ansatz zur Simulation großer EM-Strukturen nutzt schnell CUDA-fähige GPUs. CUDA, die Compute Unified Device Architecture, ist eine parallele Computerplattform, die von NVIDIA entwickelt und von den von ihnen produzierten Grafikprozessoren (GPUs) implementiert wird. Ursprünglich für die Beschleunigung von Videografiken entwickelt, sind GPUs für viele High Performance Computing (HPC)-Anwendungen beliebt. 

Der Vergleich zwischen Grafikprozessor und herkömmlichem CPU-Computing ist dramatisch. GPUs können Hunderte von Prozessoren einsetzen, wo CPUs nur wenige anbieten können. Mehr als die EM-Simulation im Frequenzbereich, die Zeitbereichs-EM-Simulation ist gut parallelisierbar; FDTD kann die Vorteile der Simulationszeitbeschleunigung von GPUs voll ausschöpfen.  

Zusammenfassung

Die Konstruktion eines Radarsensors für Kraftfahrzeuge ist eine anspruchsvolle Aufgabe, noch bevor die Komplexität der Montagehalterungen und Stoßfängerbaugruppen eingeführt wird. Die rechnerische FDTD EM-Simulation bietet die notwendigen Werkzeuge für Ingenieure, um eine hochgenaue Analyse des Sensors unter Berücksichtigung der endgültigen Montagekonfigurationen durchzuführen. Dies wird ermöglicht durch XStream® von XFdtdtd GPU-Beschleunigungstechnologie, die die EM-Simulationszeit durch die Nutzung von GPUs enorm verkürzt und es XF ermöglicht, ultraschnelle numerische FDTD-Berechnungen durchzuführen. Am Ende können Ingenieure die Automobilsicherheitsindustrie voranbringen, indem sie die Zuverlässigkeit und Genauigkeit von Radarsystemen erhöhen.

Referenzen:

Mikrowellen-Schaltkreismodellierung mit elektromagnetischer Feldsimulation von Daniel G. Swanson, Jr. und Wolfgang J. R. Hoefer, Artech House c 2003 ISBN: 1-58053-308-6