利用電磁仿真技術解決雷達車輛整合的複雜問題

有請客座部落客 Yadhukrishnan MK，他將為我們介紹高級駕駛輔助系統中的雷達模擬。

汽車中的高級駕駛輔助系統利用各種技術，例如攝影機、雷射雷達和雷達，以確保安全且舒適的駕駛體驗。在這些技術中，雷達在檢測和追蹤物體方面扮演著關鍵角色。然而，當雷達整合到車輛中時，其性能會受到車身和其他部件（包括保險桿、底盤和電纜等）的影響。保險桿的材料、形狀和厚度，以及周圍散射元件，都會顯著影響雷達的性能。因此，在整合雷達到車輛中時，我們將會有個寶貴的機會來研究其性能降低的問題。在實際原型準備就緒之前，透過在虛擬環境中驗證雷達，模擬真實條件，有助於在產品開發階段早期納入設計變更，並節省成本，如下圖所示：

將雷達整合到車輛中的模擬可以分為不同的階段，每個階段都深入探討。初始階段涉及改良天線和感測器元件。CST Studio Suite 使我們可以仔細研究天線元件的輻射特性，從而減少在實驗室環境中構建和測試大量原型的必要性。感測器開發的各個方面包括以下內容：

在 RF 多層板上設計供電結構和輻射元件的佈局。
在綜合感測器模型中建立匹配的雷達罩，同時解決 RF 板、雷達罩、封裝、數據連接器、外殼和其他組件的複雜問題。

CST 中的時域 – FIT 技術是一個功能強大且多用途的求解器，可以在單次運行中模擬寬頻應用，因此在解決感測器開發中的上述挑戰方面非常高效。

接下來的階段將專注於優化感測器前方的保險桿。保險桿具有複雜的多層結構，基層為塑膠，其上有底漆和塗層。這些保險桿的厚度約為幾毫米，與雷達感測器的工作波長相當，因此在塑造感測器性能這方面非常重要。保險桿的存在引入了挑戰，因為無線電波會經歷反射、折射和散射，導致雷達感測器性能下降。有效地減輕保險桿對雷達感測器的影響是一個重大挑戰。優化保險桿的形狀、材料和位置是實現最佳安裝性能的主要參數。以下是這些變數對雷達性能的影響：

接下來的階段將關注環繞感測器的底盤部件，目的在於判斷它們與保險桿共同對雷達性能的影響。下圖示範了在較陡的角度下，從感測器發射的電磁波與底盤之間的交互作用更加明顯。

在感測器、底盤和保險桿之間的多次反射導致目標估計不準確，從而產生錯誤的警報：

我們的主要挑戰在於建立一個高頻模擬的工具鏈，用於巨大模型（感測器 + 底盤），並在模擬精度和速度之間取得最佳平衡。以下是一個示範的例子：

感測器和底盤模型使用 CST 中的時域求解器進行離散化。雖然全物理求解器具有高精度，但網格元素數量約為 30 億，導致計算需求過高。因此，模擬時間大幅延長，平均每個項目約為 14 天。CST 的混合特性通過融合各種求解器的優勢，在時間限制內在精度和計算資源之間取得平衡，從而有效地分析這些挑戰。對於當前的問題，最佳方法是將時域求解器和 A 求解器進行混合，如下圖所示：

在這種方法中，由於物理內在的共振效應（resonant effect）需要高精度，感測器和相鄰組件使用全物理求解器（時域）進行分析。第 3 步涉及提取感測器和相鄰設置的近場（near field），然後在第 4 步中將其作為訊號源。底盤的其餘部分使用 A 求解器進行求解，優先考慮速度而不是精度。這種混合方法有效地結合了兩種方法的優點，兼具兩者之長。如下圖所示，這種方法顯著降低了模擬資源和時間：

各種模擬方法與測量值的精度比較如下圖所示。顯然，混合方法與全波（Full-wave）方法和測量值非常接近，非常適用於車輛整合應用：

在車輛整合模擬的未來策略中，我們將利用 3DEXPERIENCE 平台無縫整合建模和模擬流程。統一的平台整合了產品開發的各個方面，使用戶能夠協作開發和驗證產品設計。在車輛整合模擬領域，CAD 優化在工作流程中扮演著關鍵角色。目前，CATIA 用於 CAD 優化，獨立於雷達 RF 模擬之外進行。我們的主要挑戰在於從 CATIA 優化並轉換 CAD 數據到適用於 CST Studio 的兼容格式所需的時間和精力。

一個統一的建模和模擬平台，例如 3DEXPERIENCE 平台，可以將 CATIA 中的 CAD 優化流程與 CST Studio 中的雷達放置工作流程無縫整合，從而大幅減少模擬、建模的工作量和時間，進一步優化雷達整合模擬流程。

關於作者

Yadhukrishnan M K3 是一位技術主管，自 2020 年以來一直在 Continental AG 工作。他負責根據客戶及內部里程碑的要求，領導主要的 RF 模擬活動（專注於自動駕駛），確保其範圍和品質。他參與了涵蓋車輛整合模擬、EMI/EMC、天線/感測器開發、基於雷達的自動駕駛功能和情境模擬等方面的關鍵項目。

他在 RF 建模和模擬方法及工具方面具有豐富的經驗。在他超過 7 年的職業生涯中，他一直致力於解決產品開發中的 RF 和 EMI/EMC 挑戰，並與電子、航空、汽車、國防、研究等行業的客戶合作。他擁有電磁學和 RF/天線工程領域的碩士學位。

Yadhu 也是 2023 年的 SIMULIA 冠軍。

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原文轉載來自Bilquis Mohamodhosen – Navigating Complexities of Radar Vehicle Integration Leveraging Electromagnetic Simulation