自動車用レーダにおける時間領域電磁界シミュレーションの利点

概要:

このホワイトペーパーでは、XFdtd の時間領域 EM シミュレーションによって、エンジニアがプロトタイプを構築してテストを実行することなく、鼻隠しの背後に設置された完全に詳細なセンサーモデルの性能を判断できるようにすることで、迅速な開発が可能になることを示します。電波暗室で。 25 GHz センサーの分析は議論をフレームします。

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自動車の安全性の動向は、死角監視やクロストラフィック警告などのアプリケーションに対して、レーダーシステムを高精度で信頼性の高いターゲット識別にプッシュしています。 その結果、 自動車用レーダー 24 ghz や 77 ghz などの周波数帯のセンサーは厳しくなっており、エンジニアは設計の決定がパフォーマンスにどのように影響するかをよりよく理解する必要があります。 時間領域電磁シミュレーションは、技術者が試作品を構築し、無響室でテストを実行することなく、鼻隠しの背後に設置された完全に詳細なセンサモデルの性能を決定することにより、迅速な開発を促進します。 この記事では、25 GHz センサーの分析について、Remcom の XFdtd®電磁シミュレーションソフトウェア (XF) を使います。

図 1: RF ボードの上部と下部の層

RF ボードの解析

給電構造と放熱素子を含む多層 PCB である RF ボードは、ターゲット識別の出発点であるため、あらゆるセンサの設計に不可欠です。 その重要性を考えると、エンジニアは、どの構造がそのパフォーマンスを駆動するかを理解するのに役立つツールを必要とします。

多くの場合、ケイデンス®またはメンターのグラフィックス®からツールで作成され、これらのボードは、CAD ファイルとして XF にインポートされたトレース、ビア、および表面の数百を含んでいます。 図1は、インポート後の RF ボードの4つのレイヤの詳細を示しています。このボードは、88.5 ミリメートル x 57 ミリメートル x 1.4 ミリメートル、188オブジェクトが含まれており、0.22 ミリメートルとして小さいマイクロストリップ構造を持っています。

RF ボードのシミュレーションでは、広帯域の S パラメータまたは遠方界利得と指向性という、測定値から得られるのと同じ結果が生成されます。 設計ツールとして、これらのシステムレベルの結果はあまり有益ではありません。これらは、ある設計を別のデザインと比較したり、設計が要件を満たしているかどうかを判断するために使用されます。

設計エンジニアは、デバイスを理解し、設計を改善するために、標準的なシステムレベルの結果よりも多くのものを必要とします。 XF は次の計算もできます。

  • 導体間の寄生結合。S パラメータと周波数領域電流の画像は、寄生結合が存在することを確認しますが、問題を特定して修正するためにほとんど行いません。を使用して生成された時間領域シミュレーション結果 有限差分時間領域 (FDTD) 法 エンジニアは、カップリングが発生した場所を確認し、レイアウトを再設計してそれを防ぐことができます。

  • 接地面上の電流分布。25および 77 GHz では、接地構造はもはや等電位サーフェスではありません。図2に見られるように、接地面には、設計時に考慮する必要があるエッジに、最大10dB 以下の強い電流があります。

  • ローカルオシレータ (LO) ラインのようなセカンダリソースの効果。セカンダリソースは、他の導線に結合し、意図しない輻射を生成することもできます。これらの問題はいずれも、シミュレーションによって識別および定量化することができます。

図 2: 接地構造が
等電位サーフェス

センサ付き RF 基板の解析

適切に設計された RF ボードは将来の成功を示す指標ですが、OEM 仕様が満たされる前に行うべき作業がさらにあります。 まず、RF ボードをセンサーケースに入れ、レドームでカバーする必要があります。 これらの構造は、アンテナの性能を変更します。

図 3: フルセンサーの拡張表示

図3に、フルセンサーモデルの拡張ビューを示します。 モデルは 106 mm x 63 mm x に全面的な次元を持って来るレドーム、RF の板、デジタル板、包装、データコネクターおよびセンサーの場合を含んでいる。

FDTD シミュレーションにはすべてのモデルの複雑さが含まれているため、センサへの簡略化は必要ありません。 これにより、エンジニアは、内蔵されている場合にセンサーがどのように動作するかをよりリアルに把握できます。 たとえば、データコネクタは、ラジエータのすぐ近くにはない比較的大きな構造であるため、RAM 要件を減らすためにシミュレーションから削除する場合があります。 しかし、それをシミュレーションに含めると、エネルギーがピンに結合し、その後、これらのダイポールのような構造体から放射されるため、精度が向上します。

レドームは、アンテナアレイの前面に直接配置され、アンテナの放射パターンに大きな影響を与えることができるため、センサの最も重要な構造の1つです。 インポートされたレドームモデルをパラメータ化することによって、その設計は望ましい性能を満たすために磨かれることができる。 レドーム厚さの基本的なパラメータスイープからの結果を図4に示す。 ジオメトリのパラメータ化とシミュレーションの設定は数分で完了することができ、これはラボで5つの異なるレードームを作成して測定するのにかかる時間よりも大幅に短くなります。

図 4: 異なるレドームの厚さに対する遠方界利得の結果

筋膜後方のセンサの解析

最終的に、設置されたセンサーの性能は正確にターゲットを識別するセンサーの機能を指示する。 ここでは、設計者は、鼻隠しの取り付けブラケット、ペイントカラー、およびカーブがアンテナの放射パターンを劣化させる方法を理解することに関心を持っています。

OEM から入手した鼻隠しのモデルは、他の CAD モデルと同様に XF に読み込むことができます。 図5は、センサに含まれる鼻隠しモデルの例を示す。 対応するシミュレーションスペースは 195 mm x 204 mm x 74 mm である。

アプリケーションおよび設計エンジニアは、鼻隠しの背後にあるセンサーの最適な配置を識別したり、インストールに関する問題をトラブルシューティングしたりできるため、シミュレーションの恩恵を受けることができます。 レドームの厚さのパラメータ化と同様に、鼻隠しに対するセンサーの位置をパラメーター化することができます。 これは、レドームと鼻隠しの間のトラップされたモードを視覚化する機能とつながれる、取付けのどの側面が結果に影響を与えるか理解することをエンジニアを許可する。

図 5: 鼻隠しの後ろに取り付けられたセンサー

実行時間とメモリの要件

シミュレーションをタイムリーに完了する能力は、シミュレータの有用性を決定する上で重要な要素です。 グラフィックスプロセッシングユニット (GPU) 技術と FDTD を組み合わせることで、エンジニアは以前よりもはるかに高速に複数の設計イテレーションを実行することができます。

図 6: 実行時間とメモリの要件

図6のグラフでは、rf ボードのみ、フルセンサー付き rf ボード、および鼻隠しセンサーの3つのシミュレーションのメモリ要件と実行時間を比較しています。 rf ボードのマイクロストリップ構造は 0.037 mm の最小セルサイズを生成し、rf ボードの周りのグリッド定義は、追加のジオメトリで問題サイズが増加するにつれて維持されました。 ベンチマークのために、XF はケプラーアーキテクチャで4つの NVIDIA® gpu を利用しました。

gpu は、カードあたり2800コアの超並列計算プラットフォームを提供します。 FDTD アルゴリズムはこの並列化を効率的に利用し, cpu に対する50x 速度の向上が一般的に行われている. この組み合わせにより、7時間以内に鼻隠しシミュレーションで完全なセンサーを完成させることができます。

概要

エンジニアは、OEM の要件を満たし、輸送の安全性を向上させるために、センサ技術の限界を押しています。 FDTD シミュレーションは、アンテナの性能を理解するために必要なツールを提供します。 ボードレベルでは、寄生結合のソースまたは接地電位の変動を特定し、軽減することができます。 このタイプの解析では、レドーム構造の最適化と、鼻隠しの背後にあるセンサの最適な位置の決定を行います。  GPU 技術と相まって、エンジニアはこの分析を数時間で実行できるため、全体的な開発時間が短縮されます。