EM simulación de radar automotriz montado en parachoques de vehículo

Resumen:

Las tendencias en seguridad automotriz están empujando los sistemas de radar a niveles más altos de precisión y identificación de objetivo confiable para la detección de punto ciego y asistencia para prevención de colisiones.  En consecuencia, los ingenieros necesitan comprender mejor cómo los soportes de montaje, fascia, color de pintura y conjuntos de parachoques afectan a los patrones de radiación de campo lejano de los sistemas de radar automotriz de 24 GHz y 77 GHz.  Utilizado durante mucho tiempo para las simulaciones de antena en vehículo de menor frecuencia (y longitud de onda más larga), incluida la comunicación vehículo a vehículo, la simulación electromagnética (EM) ahora puede manejar un análisis de alta fidelidad más allá del sensor ideal de 24 GHz y 77 GHz, para incluyen el paquete de la antena y las características del cuerpo del automóvil que rodean el dispositivo.  

En este artículo, un sensor de 24 GHz se utiliza para discutir las diferencias entre la simulación de un sensor autónomo y uno que se monta en un vehículo.  Eficiente dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) El análisis EM, combinado con una aceleración dramática de computación a través de unidades de procesamiento de gráficos (GPU) habilitadas para CUDA, RemCom es XFdtd®, una herramienta de software de simulación de EM 3D totalmente arbitraria, una opción óptima para la simulación de un diseño de antena en el sistema con este nivel de complejidad.  

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La simulación XFdtd de un sensor de 24 GHz montado en el parachoques trasero de un sedán proporciona el marco para la discusión en este papel.

Desafíos de diseño a altas frecuencias

Las longitudes de onda más cortas de 24 GHz y 77 GHz plantean desafíos de diseño que no están presentes en las aplicaciones a frecuencias más bajas, como la comunicación de vehículo a vehículo a 5,9 GHz.  En el nivel del sensor, las estructuras en las capas de PCB se vuelven eléctricamente grandes y pueden causar interferencias inesperadas.  Del mismo modo, cuando el sensor está montado en un vehículo, el espesor de la fascia puede distorsionar las ondas radiadas y causar reflejos no deseados.  Algunos de estos problemas conducen a cambios en el diseño del sensor, mientras que otros se abordan mejor mediante la prestación de directrices para los fabricantes de automóviles.  A pesar de todo, los ingenieros necesitan una herramienta que permita realizar un análisis de alta fidelidad y les permita hacer frente a problemas en su diseño mientras se consideran todos los aspectos que afectan el rendimiento de un sensor.

El radar es inherentemente dominio del tiempo

El radar es un proceso inherentemente del dominio del tiempo: una señal viaja hacia fuera de un transmisor, se refleja apagado de un objeto, y vuelve al receptor.  Mientras que gran parte del diseño del radar ocurre en un nivel de sistemas con los conceptos matemáticos del procesamiento de señal, los problemas de integridad de la señal pueden ocurrir en la placa de circuito del radar local y afectar negativamente al rendimiento general del sistema del radar.  Simplemente mirando el contenido de frecuencia de estas áreas no deseadas de problemas de corriente o voltaje no puede proporcionar suficiente información para diseñar a fondo o solucionar problemas del sistema de radar.  

La simulación FDTD EM tiene la capacidad de mostrar el movimiento de las señales en función del tiempo.  El seguimiento de la fuente de una corriente o voltaje en particular que entra en un área problemática en el circuito puede revelar la fuente raíz de un problema de rendimiento en un dispositivo de radar.  El problema puede venir de acoplamiento no deseado entre los rastros de la señal en la placa.  El problema puede resultar de la energía que suena abajo de la antena u otra porción alta Q del circuito.  Estos fenómenos dependientes del tiempo no se pueden ver claramente con un enfoque de dominio puramente de frecuencia; se necesita la simulación de dominio de tiempo para encontrar este tipo de problemas.  

Los campos de dominio de tiempo muestran las interacciones dentro del sensor.

Además, una vez que el sensor se monta en un vehículo, la interferencia en la antena recibida puede dificultar la identificación del objetivo.  Esta interferencia puede deberse a una configuración de resonancia en el conjunto del parachoques o a los reflejos de los soportes de montaje. La tecnología de simulación y GPU FDTD EM ahora permite la inclusión de estructuras más grandes, como el parachoques o el back-end de un automóvil, que se incluirán en las simulaciones de dispositivos de radar automotriz.  Las simulaciones EM de alta fidelidad de radar de 24 GHz o 77 GHz montadas dentro de parachoques de automóviles pueden ayudar a los ingenieros de aplicaciones y sus clientes a solucionar exhaustivamente el rendimiento de la antena y cómo cambia con la estructura y los materiales del vehículo durante el ciclo de diseño .

Distribución de campos eléctricos 1,8 NS tras su lanzamiento.

Las cifras anteriores comparan los campos eléctricos a medida que se irradian lejos del sensor.  A diferencia del caso independiente de la derecha, el caso de la izquierda muestra las ondas de reventado de fascia.  Esto es indeseable porque distorsiona los campos transmitidos y porque los campos atrapados reflejan de nuevo en el receptor, causando la interferencia.

Parametrización explora más allá de la antena

El radar automotriz diseño necesita analizar y simular más que las características de la antena de dominio de frecuencia ideal por sí solas.  Los detalles de empaquetado cerca de la antena, así como las características del cuerpo del vehículo un medidor o tan lejos de la antena también afectan a los patrones de campo lejos de la antena y el rendimiento del sistema de radar.  Comenzando a la derecha en la construcción de la antena, la alineación de múltiples capas (registro) durante el montaje puede afectar el rendimiento de la antena.  Los efectos de borde de una placa de circuito dieléctrica, tornillos de montaje que sostienen la placa de circuito a un paquete, y cualquier cubierta del paquete o radomo sobre la antena pueden alterar el patrón de radiación de la antena o causar reflejos de dominio de tiempo de nuevo a la antena que no aparecen en diseño de nivel de sistemas.  Moviéndose más allá del empaquetado de dispositivos de radar automotriz, el parachoques y la sección entera cercana del vehículo también afectarán el rendimiento del sistema de antena y radar.  Teniendo en cuenta los materiales de vehículos y parachoques, las formas, las dimensiones y el empaquetado de dispositivos crea muchas variables para explorar en el diseño del sistema de radar.

Un enfoque para probar múltiples dimensiones de variación – materiales parachoques, recubrimientos de pintura y espesores – es a través de barridos de parámetros en simulación EM.  La mayoría de las cantidades especificadas en una simulación se pueden hacer de manera que se utilice una variable y, por lo tanto, se barre un rango de valores de forma automatizada.  Los barridos paramétricos pueden variar las geometrías, como la ubicación de montaje del dispositivo de radar automotriz horizontalmente a lo largo del parachoques y alrededor de su esquina curva.  Los barridos anidados que varían más de un parámetro a la vez son útiles para explorar el espacio de diseño al principio del ciclo de diseño y obtener una comprensión valiosa e intuición sobre el rendimiento del sistema.  Los análisis de sensibilidad y las optimizaciones también cambian los valores de parámetro en varias iteraciones de simulación; normalmente se utilizan posteriormente en el ciclo de diseño para la validación.  

 

El análisis paramétrico se utiliza para mejorar el rendimiento del diseño.
 

 

Tamaño de simulación del vehículo con respecto a longitud de onda

La simulación de estructuras de antenas individuales y sus patrones de radiación de campo lejano ha sido un elemento básico del software de simulación EM durante muchos años.  Esto incluye antenas independientes, así como antenas en chip estrechamente conectadas a amplificadores en circuitos integrados (ICs).  Más recientemente, con la llegada de la computación de 64 bits y el aumento de la RAM que pone a disposición para simulaciones individuales, la simulación EM se ha expandido para incluir antenas y vehículos juntos; sin embargo, el vehículo podría estar representado en una formulación EM diferente que sólo puede mirar el metal superficial de un coche, satélite, barco o avión.

El reto de lograr la simulación de alta precisión de las estructuras de la antena y los vehículos juntos, utilizando una simulación EM 3D totalmente arbitraria, ha sido el tamaño del problema de simulación, a menudo descrito en términos del número de elementos en la malla o la cantidad de RAM (memoria) consume el problema.  Una simulación que requiera demasiados GB de RAM se vuelve poco práctica ya sea porque tarda demasiadas horas en ejecutarse o porque la simulación va completamente más allá de la capacidad de hardware del equipo disponible.

Las GPU reducen el tiempo de simulación de 4 GB y 20 GB de problemas.

La simulación EM de una antena generalmente se escala con la frecuencia de señal porque la precisión de simulación EM se basa en gran medida en el número de celdas de malla por longitud de onda.  Una simulación de antena dipolo de media longitud de onda tarda aproximadamente la misma cantidad de tiempo de simulación a baja o alta frecuencia porque el tamaño de celda de malla escala a la dimensión de la antena basada en la longitud de onda.  La simulación de una antena montada en un vehículo en una simulación de EM 3D totalmente arbitraria incluye ambas estructuras.  La frecuencia de señal más alta significa una longitud de onda más pequeña y se necesita un tamaño de celda más pequeño para acomodar la antena.  Esta malla más pequeña significa que se utilizan más celdas de malla para simular las porciones del coche.  

El tamaño de malla puede variar dentro de una simulación, con celdas de malla más grandes de 1,25 mm alrededor de grandes características físicas como conjuntos de parachoques y celdas de malla más pequeñas de 0,04 mm cerca de geometrías más finas como la estructura de alimentación de la antena de un sensor, pero siempre hay un límite para el rango en tamaño de malla que es práctico o preciso para una sola simulación.  La capacidad de simular ahora un dispositivo de radar de alta frecuencia y la antena junto con el área de parachoques de un coche en una simulación EM 3D totalmente arbitraria es un beneficio del método FDTD de simulación EM.  FDTD proporciona tanto la capacidad de escalar el tamaño de malla linealmente con el tamaño del problema como para aprovechar tremendas eficiencias con sistemas de GPU habilitados para CUDA.  

Las escalas de simulación FDTD linealmente con el tamaño del problema

En el mundo de la simulación de EM 3D totalmente arbitraria, hay formulaciones de dominio de frecuencia y dominio de tiempo.  Aunque ambos tipos pueden simular datos de dominio de frecuencia de estado estacionario, incluidos los parámetros S, existen diferencias en la rapidez con la que crece el tiempo de simulación a medida que crece el tamaño del problema de simulación.  Hay formulaciones de simulación EM de dominio de frecuencia donde el tiempo de simulación crece a una velocidad de n-cuadrado, donde n es el tamaño del problema.  Una de las ventajas de la simulación FDTD para grandes tamaños de problemas es que el tiempo de ejecución de simulación de dominio de tiempo crece solo linealmente como el tamaño del problema de simulación grows1.  Cuanto mayor sea el tamaño del problema, mayor será la ventaja relativa de la simulación de dominio de tiempo frente a la simulación de dominio de frecuencia.  

Los simuladores de dominio de tiempo ejecutan una simulación completa para cada puerto en un diseño.  Generalmente, los simuladores de dominio de frecuencia no necesitan hacer esto.  Para algunas simulaciones con muchos puertos, una formulación de EM de dominio de frecuencia, como el método de elementos finitos (FEM), puede ser una buena opción.  Para una aplicación de antena que no implique muchos puertos de señal en un diseño, la simulación de dominio de tiempo tiene la ventaja de grandes tamaños de problemas.  

FDTD paraleliza bien con GPUs

Un enfoque popular para simular estructuras EM grandes utiliza rápidamente las GPU habilitadas para CUDA.  CUDA, la arquitectura de dispositivos unificada de computación, es una plataforma de computación paralela creada por NVIDIA e implementada por las unidades de procesamiento de gráficos (GPU) que producen.  Originalmente desarrollado para acelerar los gráficos de vídeo, las GPU son populares para muchas aplicaciones de computación de alto rendimiento (HPC). 

La comparación entre GPU y la computación tradicional de la CPU es dramática.  Las GPU pueden aplicar cientos de procesadores donde las CPU solo pueden ofrecer unos pocos.  Más que la simulación del dominio EM de la frecuencia, la simulación EM del dominio del tiempo paraleliza bien; FDTD puede aprovechar al máximo la aceleración de tiempo de simulación ofrecida por las GPU.  

Resumen

Diseñar un sensor de radar automotriz es una tarea desafiante incluso antes de introducir las complejidades de los soportes de montaje y los conjuntos de parachoques.  La simulación computacional FDTD EM ofrece las herramientas necesarias para que los ingenieros realicen un análisis de alta fidelidad del sensor mientras se consideran las configuraciones de montaje final.  Esto se habilita mediante XStream® de XFdtd Tecnología GPU Acceleration que reduce enormemente el tiempo de simulación EM aprovechando las GPU y habilitando a XF para realizar cálculos numéricos ultrarrápidos de FDTD.  Al final, los ingenieros pueden avanzar en la industria de la seguridad automotriz incrementando la confiabilidad y la precisión de los sistemas de radar.

Referencias:

[1] modelado de circuitos de microondas utilizando simulación de campo electromagnético por Daniel G. Swanson, Jr. y Wolfgang j. r. Hoefer, casa Artech c 2003 ISBN: 1-58053-308-6