Beneficios de la simulación electromagnética del dominio del tiempo para el radar automotriz

Resumen:

Este documento técnico demuestra cómo la simulación em de dominio de tiempo de xfdtd permite un desarrollo rápido al permitir a los ingenieros determinar el rendimiento de un modelo de sensor completamente detallado instalado detrás de una pieza de fascia sin necesidad de construir prototipos y ejecutar pruebas en una cámara anecoica.  El análisis de un sensor de 25 GHz enmarca la discusión.

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Las tendencias en seguridad automotriz están empujando a los sistemas de radar a niveles más altos de precisión e identificación confiable de objetivos para aplicaciones como monitoreo de punto ciego y alerta de tráfico cruzado.  En consecuencia, los requisitos para radar automotriz sensores en bandas de frecuencias como 24 GHz y 77 GHz son cada vez más estrictos y los ingenieros necesitan entender mejor cómo las decisiones de diseño afectan el rendimiento.  La simulación electromagnética del dominio del tiempo promueve un rápido desarrollo al permitir a los ingenieros determinar el rendimiento de un modelo de sensor completamente detallado instalado detrás de una pieza de fascia sin necesidad de construir prototipos y ejecutar pruebas en una cámara anecoica.  En este artículo, se discutió el análisis de un sensor de 25 GHz utilizando el XFdtd® software de simulación electromagnética (XF).

Figura 1: las capas superior e inferior de la placa RF

Análisis de la Junta RF

La placa de RF, un PCB multicapa que contiene la estructura de alimentación y los elementos radiantes, es crucial para el diseño de cualquier sensor, ya que es el punto de partida para la identificación del objetivo.  Dada su importancia, los ingenieros necesitan una herramienta que les ayude a entender qué estructuras impulsan su rendimiento.

A menudo creados en herramientas de Cadence® o Mentor Graphics®, estas placas contienen cientos de trazas, vias y superficies que se importan en el XF como archivos CAD.  El cuadro 1 muestra los detalles de las cuatro capas en la placa RF después de la importación. Esta placa es de 88,5 mm x 57 mm x 1,4 mm, contiene 188 objetos, y tiene estructuras de microstrip tan pequeñas como 0,22 mm.

Una simulación de la placa RF generará los mismos resultados que se pueden obtener de las mediciones: parámetros S de banda ancha o ganancia y directividad de campo lejano.  Como herramienta de diseño, estos resultados a nivel de sistema no son muy informativos. Se utilizan para comparar un diseño con otro o determinar si un diseño cumple con sus requisitos.

Un ingeniero de diseño necesita más que los resultados estándar de nivel de sistema para entender un dispositivo y mejorar su diseño.  El XF también puede calcular:

  • Acoplamiento parasitario entre conductores. S-Parameters e imágenes de corrientes de dominio de frecuencia confirmarán que existe acoplamiento parasitario, pero hacen poco para identificar y solucionar el problema. Resultados de simulación de dominio de tiempo generados mediante el El método de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) permiten a los ingenieros ver dónde se produce el acoplamiento y rediseñar el diseño para evitarlo.

  • Distribución actual en planos terrestres. A 25 y 77 GHz, las estructuras de puesta a tierra ya no son superficies equipotenciales. Como se ve en la figura 2, el plano de tierra tiene fuertes corrientes – 10dB por debajo del máximo – en sus bordes que necesitan ser considerados durante el diseño.

  • Efectos de fuentes secundarias como la línea de oscilador local (LO). Las fuentes secundarias pueden acoplar en otros conductores e incluso generar radiación involuntaria. Ambos problemas se pueden identificar y cuantificar mediante simulación.

Figura 2: las estructuras de puesta a tierra no son
Superficies equipotenciales

Análisis de la placa RF con sensor

Una placa RF correctamente diseñada es un indicador del éxito futuro, pero hay más trabajo que hacer antes de que se cumplan las especificaciones OEM.  Para empezar, la placa RF debe colocarse en la caja del sensor y cubrirse con un radome.  Estas estructuras cambiarán el rendimiento de la antena.

Figura 3: vista ampliada del sensor completo

En la figura 3 se muestra una vista ampliada del modelo de sensor completo.  El modelo contiene el radome, la placa de RF, la placa digital, el embalaje, el conector de datos y la caja del sensor que aportan las dimensiones generales a 106 mm x 63 mm x 21 mm.

Una simulación FDTD incluye toda la complejidad del modelo, por lo que no se necesitan simplificaciones para el sensor.  Esto da a los ingenieros una imagen más realista de cómo funcionará el sensor si se construye.  Por ejemplo, el conector de datos es una estructura relativamente grande que no está en la proximidad inmediata de los radiadores por lo que uno puede eliminarlo de la simulación para reducir los requisitos de RAM.  La inclusión en la simulación, sin embargo, aumenta la precisión porque las parejas de energía en sus pasadores y luego se irradian desde estas estructuras de dipolo-como.

El radomo es una de las estructuras más importantes del sensor porque se asienta directamente frente a los arrays de la antena y puede tener un gran impacto en los patrones de radiación de la antena.  Al parametrizar el modelo de radomo importado, su diseño puede perfeccionarse para cumplir con el rendimiento deseado.  Los resultados de un barrido de parámetros básico del espesor de radomo se muestran en la figura 4.  Parametrizar la geometría y la configuración de las simulaciones se puede lograr en minutos, que es significativamente menor que el tiempo que se necesitaría para crear y medir cinco diferentes radomos en un laboratorio.

Figura 4: resultados de ganancia de campo lejano para diferentes espesores de radomo

Análisis del sensor detrás de fascia

En última instancia, el rendimiento del sensor instalado dictará la capacidad del sensor para identificar con precisión los objetivos.  Aquí, los ingenieros están interesados en entender cómo los soportes de montaje, el color de la pintura y las curvas en la fascia degradarán el diagrama de radiación de las antenas.

Los modelos de fascia, obtenidos de un OEM, se pueden importar en XF como cualquier otro modelo CAD.  La figura 5 muestra un ejemplo de un modelo de fascia incluido con el sensor.  El espacio de simulación correspondiente es de 195 mm x 204 mm x 74 mm.

Los ingenieros de diseño y aplicación se benefician de la simulación, ya que les permite identificar la ubicación óptima de un sensor detrás de una fascia o solucionar problemas con una instalación.  Similar a parametrizar el espesor del Radome, la ubicación del sensor en relación con la fascia se puede parametrizar.  Esto, junto con la capacidad de visualizar los modos atrapados entre el radomo y la fascia, permiten a los ingenieros comprender qué aspectos de la instalación están afectando a los resultados.

Figura 5: Sensor montado detrás de fascia

Requisitos de tiempo y memoria de ejecución

La capacidad de completar simulaciones de manera oportuna es un factor importante para determinar la utilidad de un simulador.  La combinación de la tecnología de la unidad de procesamiento de gráficos (GPU) y FDTD permite a los ingenieros realizar múltiples iteraciones de diseño mucho más rápido que antes.

Figura 6: requisitos de tiempo y memoria de ejecución

El gráfico en la figura 6 compara los requisitos de memoria y el tiempo de ejecución para tres simulaciones: solo placa de RF, placa de RF con sensor completo y sensor con fascia.  Las estructuras de microstrip en la placa RF generaron un tamaño mínimo de celda de 0,037 mm y la definición de la rejilla alrededor de la placa RF se mantuvo a medida que el tamaño del problema creció con la geometría adicional.  Para el punto de referencia, el XF utilizó cuatro GPU NVIDIA® con la arquitectura Kepler.

Las GPU proporcionan una plataforma de computación de paralelización masiva con 2.800 núcleos por tarjeta.  El algoritmo FDTD utiliza eficientemente esta paralelización y las mejoras de velocidad 50X sobre las CPUs se logran comúnmente.  Esta combinación permite que el sensor completo con simulaciones de fascia se complete en menos de siete horas.

Resumen

Los ingenieros están superando los límites de la tecnología de sensores para cumplir con los requisitos del OEM y mejorar la seguridad del transporte.  La simulación FDTD proporciona las herramientas que necesitan para entender el rendimiento de una antena.  A nivel de la Junta, se pueden identificar y mitigar las fuentes de acoplamiento parasitario o variaciones en el potencial de tierra.  Este tipo de análisis lleva a cabo la optimización de estructuras de radomo y la determinación de la mejor ubicación para un sensor detrás de una fascia.   Junto con la tecnología de GPU, los ingenieros pueden realizar este análisis en horas, reduciendo así el tiempo de desarrollo general.