自動車用バンパーに搭載された車載レーダの EM シミュレーション

概要:

自動車の安全性の動向は、死角検知や衝突防止支援のために、レーダーシステムを高精度かつ信頼性の高いターゲット識別にプッシュしています。 結果的、エンジニアは、取り付けブラケット、鼻隠し、ペイントカラー、およびバンパーアセンブリが、24 GHz および 77 GHz の自動車レーダーシステムの遠方界放射パターン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。 車間通信、電磁 (EM) シミュレーションを含む、低周波 (および長波長) のアンテナ・オン・カー・シミュレーションに使用される長い、理想的な 24 GHz および 77 GHz センサー自体を超えた高忠実度の分析を処理できるようになりました。アンテナパッケージと、デバイスを取り巻く自動車のボディ機能を含めます。  

本稿では、24 GHz センサを用いて、スタンドアロン型センサのシミュレーションと車両に搭載されているセンサーの違いについて議論する。 効率的 有限差分時間領域 (FDTD) EM 解析と、CUDA 対応グラフィックスプロセッシングユニット (Gpu) による劇的な計算アクセラレーションを組み合わせることで、 Remcom の XFdtd®、完全に任意の 3D EM シミュレーションソフトウェアツール、この複雑さのレベルでアンテナ・イン・システム設計のシミュレーションのための最適な選択。  

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セダンのリアバンパーに搭載された 24 GHz センサーの XFdtd シミュレーションは、本稿における議論の枠組みを提供する。

高周波数での設計課題

24 GHz および 77 GHz の短波長の設計課題は、5.9 GHz での車両間通信のように、低周波のアプリケーションには存在しません。 センサーレベルでは、PCB 層の構造が電気的に大きくなり、予期しない干渉を引き起こす可能性があります。 同様に、センサーが車両に搭載されている場合、鼻隠しの厚さが放射波を歪め、望ましくない反射を引き起こす可能性があります。 これらの問題のいくつかは、センサーの設計の変化につながる, 他はより良い自動車メーカーにガイドラインを提供することによって対処します。. それにもかかわらず、エンジニアは、高精度の解析を実行できるツールを必要とし、センサの性能に影響を与えるすべての側面を考慮しながら、設計の問題を探し出すことができます。

レーダは本質的に時間領域である

レーダは本質的に時間領域のプロセスである: 信号は送信機から出て、物体から反射し、受信機に戻る。 レーダー設計の多くは、数学的な信号処理の概念を持つシステムレベルで発生しますが、信号の完全性の問題は、ローカルのレーダー回路基板上で発生し、全体的なレーダーシステムのパフォーマンスに悪影響を与える可能性があります。 単にこれらの不要な電流または電圧問題領域の周波数内容を見て、徹底的にレーダーシステムを設計またはトラブルシューティングするための十分な情報を提供していないかもしれません。  

FDTD EM シミュレーションは、時間の関数としての信号の動きを表示する能力を持っています。 回路内の問題領域に入ってくる特定の電流または電圧のソースを追跡することで、レーダ装置のパフォーマンス問題の根本原因を明らかにすることができます。 問題は、ボード上の信号トレース間の不必要な結合から来るかもしれません。 この問題は、回路のアンテナまたはその他の高 Q 部分からエネルギーが鳴っていることが原因で発生することがあります。 これらの時間依存現象は、純粋に周波数領域のアプローチでは明確に見ることができません。この種の問題を見つけるには、時間領域シミュレーションが必要です。  

時間領域フィールドは、センサー内の相互作用を示します。

さらに、一旦センサが車両に搭載されると、受信アンテナでの干渉がターゲット識別を困難にすることができる。 この干渉は、バンパーアセンブリの共振設定または取り付けブラケットからの反射によって発生することがあります。FDTD EM シミュレーションと GPU コンピュータ技術により、自動車のレーダーデバイスシミュレーションに含まれる、自動車のバンパーやバックエンドなど、より大きな構造物を含めることができるようになりました。 自動車バンパー内部に搭載された 24 GHz または 77 GHz レーダーの高忠実度 EM シミュレーションにより、アプリケーションエンジニアとその顧客は、設計サイクル中にアンテナ性能と車両構造や材料の変化を徹底的にトラブルシューティングできます。.

打ち上げ後の電界 1.8 ns の分布

上の図は、センサから放射される電界を比較しています。 右側のスタンドアロンケースとは異なり、左側のケースは、鼻隠しトラップ波を示しています。 これは、送信されたフィールドを歪め、トラップされたフィールドが受信側に反射して干渉を引き起こすため、望ましくありません。

パラメータ化はアンテナを越えて探る

自動車用レーダー 設計は、理想的な周波数領域のアンテナ特性を単独で解析し、シミュレーションする必要があります。 アンテナの近くにあるパッケージの詳細だけでなく、車のボディはメーターまたはそれ以上の距離はアンテナ遠いフィールドパターンとレーダーシステムの性能にも影響を与えます。 アンテナ構造では、アセンブリ中の複数の層 (レジストレーション) のアライメントがアンテナの性能に影響を与える可能性があります。 回路基板の誘電体のエッジ効果、パッケージに回路基板を保持する取り付けネジ、アンテナの上にあるパッケージカバーまたはレドームは、アンテナの放射パターンを変更したり、時間領域の反射を発生させないアンテナに戻すことができます。システムレベルの設計。 自動車のレーダーデバイスのパッケージングを超えて、バンパーと車両の全ての近くの部分は、アンテナとレーダーシステムの性能にも影響を与えます。 車両やバンパーの材料、形状、寸法、デバイスのパッケージングを考慮することで、レーダーシステム設計で探索する多くの変数が作成されます。

さまざまな種類のバリエーション (バンパー材料、ペイントコーティング、厚さ) をテストする1つのアプローチは、EM シミュレーションでパラメータスイープを使用することです。 シミュレーションで指定されたほとんどの量は、変数を使用して実行することができるため、自動化された方法で値の範囲をスイープすることができます。 パラメトリックスイープでは、バンパーに沿って水平方向に自動車のレーダーデバイスの取り付け位置や湾曲したコーナーの周りなどのジオメトリを変えることができます。 一度に複数のパラメータを変更するネストされたスイープは、設計サイクルの初期段階で設計空間を探索し、システムのパフォーマンスに関する有益な理解と直感を得るのに役立ちます。 感度解析と最適化では、複数のシミュレーション反復でパラメータ値も変更されます。通常、これらは検証のために設計サイクルの後半で使用されます。  

 

パラメトリック解析は、設計のパフォーマンスを向上させるために使用します。
 

 

車両シミュレーションの波長に対するサイズ

個々のアンテナ構造と遠方界放射パターンのシミュレーションは、長年にわたって EM シミュレーションソフトウェアの定番となっています。 これには、集積回路 (ICs) のアンプに密接に接続されたオンチップアンテナだけでなく、自立型アンテナも含まれます。 さらに最近では、64ビットコンピューティングの到来と、個々のシミュレーションで利用可能な RAM の増加により、EM シミュレーションはアンテナと車両を一緒に含むように拡張されました。ただし、車両は、自動車、衛星、船舶、または航空機の表面金属のみを見ることができる別の EM 定式化で表される場合があります。

完全に任意の 3D EM シミュレーションを使用して、アンテナの構造と車両の高精度シミュレーションを実現することへの挑戦は、多くの場合、メッシュ内の要素の数またはどのくらいの RAM (メモリ) の観点から説明されているシミュレーションの問題サイズであった問題は消費します。 RAM の数が多すぎるシミュレーションは、実行に時間がかかりすぎるか、またはシミュレーションが使用可能なコンピュータハードウェア機能を完全に超えているため、実用的ではありません。

Gpu は、4 GB および 20 GB の問題のシミュレーション時間を短縮します。

Em シミュレーションの精度は、波長当たりのメッシュセル数に大きく基づいているため、一般に、アンテナの EM シミュレーションは信号周波数に比例します。 半波長ダイポールアンテナのシミュレーションでは、メッシュセルのサイズが波長に基づいてアンテナの寸法にスケーリングされるため、低周波または高周波で同じシミュレーション時間がかかります。 1つの完全任意3次元 EM シミュレーションにおける車両に搭載されたアンテナのシミュレーションは、両方の構造を含む。 信号周波数が高いほど波長が小さくなり、アンテナに対応するためにはより小さいセルサイズが必要になります。 この小さなメッシュは、より多くのメッシュセルが車の部分をシミュレートするために利用されることを意味します。  

メッシュサイズは1つのシミュレーション内で異なる場合があり、バンパーアセンブリのような大きな物理フィーチャの周りに 1.25 mm の大きいメッシュセルがあり、センサーのアンテナの給餌構造のようなより細かい形状に近い 0.04 mm の小さなメッシュセルでは、常に制限がありますが、1つのシミュレーションで実用的または正確なメッシュサイズの範囲。 1つの完全任意3次元 EM シミュレーションにおいて、車のバンパーエリアとともに高周波レーダ装置とアンテナをシミュレートする能力は、EM シミュレーションの FDTD 法の利点である。 FDTD は、メッシュサイズを問題サイズに比例してスケーリングする機能と、CUDA 対応 GPU システムによる驚異的な効率性の両方を提供します。  

問題サイズに応じて線形にスケーリングする FDTD シミュレーション

完全に任意の 3D EM シミュレーションの世界では、周波数領域と時間領域の定式化があります。 どちらのタイプでも、S パラメータを含む定常状態の周波数領域データをシミュレートできますが、シミュレーションの問題のサイズが大きくなるにつれて、シミュレーション時間がどの程度速くなるかが異なります。 シミュレーション時間が n 乗の割合で増加する周波数領域 EM シミュレーションの定式化があり、n は問題サイズです。 大きな問題サイズに対する FDTD シミュレーションの利点の1つは、シミュレーションの問題サイズが grows1 するにつれて時間領域シミュレーションの実行時間が直線的に増大することです。 問題サイズが大きいほど、時間領域シミュレーションと周波数領域シミュレーションの相対的な利点が大きくなります。  

タイムドメインシミュレータは、設計内の各ポートについてシミュレーション全体を実行します。 一般的に周波数領域シミュレータはこれを行う必要はありません。 多数のポートを持つシミュレーションでは、有限要素法 (FEM) などの周波数領域の EM 定式化が適している場合があります。 設計に多くの信号ポートを含まないアンテナアプリケーションの場合、時間領域シミュレーションには大きな問題サイズがあるという利点があります。  

Gpu による FDTD 並列化

大きな EM 構造をシミュレートする一般的なアプローチは、CUDA 対応 Gpu を迅速に利用します。 CUDA は、コンピューティングユニファイドデバイスアーキテクチャは、NVIDIA によって作成され、それらが生成するグラフィックスプロセッシングユニット (Gpu) によって実装並列コンピューティングプラットフォームです。 もともと、ビデオグラフィックスを加速するために開発された Gpu は、多くのハイパフォーマンスコンピューティング (HPC) アプリケーションで人気があります。 

GPU と従来の CPU コンピューティングの比較は劇的です。 Gpu は、Cpu がわずかしか提供できない数百のプロセッサを適用できます。 周波数領域 EM シミュレーションよりも、時間領域 EM シミュレーションは並列化。FDTD は、Gpu が提供するシミュレーション時間の高速化を最大限に活用することができます。  

概要

自動車用レーダーセンサーの設計は、取り付けブラケットとバンパーアセンブリの複雑さを導入する前でも、困難な作業です。 計算された FDTD EM シミュレーションは、エンジニアが最終的な取り付け構成を考慮しながら、センサの高精度な解析を実行するためのツールを提供します。 これは、 XFdtd の XStream® GPU を活用し、XF の超高速 FDTD 計算を可能にすることにより、EM シミュレーション時間を大幅に短縮します。 最終的に、エンジニアは、レーダーシステムの信頼性と精度を高めることによって、自動車の安全産業を前進させることができます。

参照:

[1] マイクロ波回路モデリングのための電磁界シミュレーションを用いた、ダニエル g. スワンソン、ジュニア、ヴォルフガング j. r. カーメル、アーテックハウス c 2003 ISBN: 1-58053-308-6