Электромагнитное моделирование антенн, установленных внутри автомобилей

Аватар пользователя PozhenskiyLS
0 498

Расширяющееся использование электроники и беспроводных технологий в автомобилях усложняет соблюдение стандартов качества электромагнитной совместимости (ЭМС). Несмотря на то, что любая подсистема автомобиля безопасна сама по себе, их взаимодействия могут отрицательно сказаться на электромагнитной обстановке всей системы, а в худшем случае – даже вызвать перспективные проблемы безопасности. Новое поколение инструментов для моделирования предоставляет возможность вычислять уровень ЭМС машины на всех уровнях от микрочипа до целого автомобиля. Моделирование может определить качество ЭМС на ранних стадиях разработки с целью предотвратить появление проблем на поздних её этапах, способных увеличить длительность и стоимость её проведения – и, возможно, привести к неудовлетворению потребностей клиента или даже травмам – если они не были обнаружены до начала эксплуатации продукции.

Сложности в проработке ЭМС

Инновации в автомобильных технологиях, например, цифровое ФМ-радиовещание, устройство для доступа без ключа, система наблюдения за давлением, системы глобального позиционирования (GPS), аудио сервис спутникового цифрового радио, Bluetooth® или Wi-Fi®, увеличили сложность разработки автомобильных антенн. В то же время, продолжающийся рост тактовых частот, сложности структур и плотности распределения современных интегральных микросхем, печатных плат и соединителей означает, что многие компоненты могут вести себя как антенна, посылая сигналы другим компонентам в этой области. Возможности электромагнитной интерференции растут благодаря все большему числу встроенных блоков управления (ECU), возросшему объёму передачи диагностических данных (OBD-II), увеличившемуся числу линий сетей контроллеров (CAN) и т.д.

“Неутолимый спрос на энергоэффективность и лучшую динамику вождения вкупе с концентрацией производителей автомобилей на том, чтобы они стали безопаснее, веселее, комфортнее и роскошнее, значительно усилило наполнение машин электроникой и программами” – так выразился Кришнасвами Раджагопалан, отраслевой аналитик менеджера глобального проекта “Фрост и Салливан” группы систем ходовой части, безопасности и помощи водителю. “В то время как электроника улучшила эффективность и комфорт пассажиров, она подвергла клиентов большему риску несчастных случаев, а производителей машин – болезненных отзывов миллионов потраченных долларов. Это также вызвало непомерный удар по доверию покупателей по отношению к производителю.”

Преимущества моделирования

Электромагнитная обстановка во всей машине может быть проверена только при наличии завершенного первого прототипа. Решение проблем на этой стадии процесса занимает немало средств и времени. Кроме того, сложность современной электроники и огромное число конфигураций возможных опций, сопровождающих автомобиль, лишает возможности полностью протестировать все его возможные модели.

Новое поколение инструментов моделирования дает возможность предсказать и заранее изменить основные узлы, способные выйти из строя из-за электроники. К примеру, моделирование может выявить электромагнитную интерференцию (EMI), излучаемую высокоскоростными электронными компонентами; оно также может определить влияние этого излучения на подсистемы машины. В отличие от физического тестирования, моделирование позволяет параллельно рассчитать последствия потенциально противоречивых условий разработки, вроде охлаждения компонентов при избегании непредвиденных помех.

 Эта статья описывает, как моделирование электромагнитного поля в среде ANSYS® HFSS 3D может вычислить электрическое поведение компонентов с высокими скоростями и частотами. С HFSS инженеры могут извлекать паразитные параметры, в том числе S, Y и Z, визуализировать трёхмерную электромагнитную обстановку в ближней и дальней зонах, создавать полноволновые SPICE-модели для анализа проблем с качеством сигнала – потерь на пути распространения, потерь отражения из-за несовпадения импедансов, паразитных связей и излучений. Большинство инженеров начинают с корреляции простых моделей с физическими измерениями. Рисунок 1 показывает типичный тестовый случай в Сообществе прикладного вычислительного электромагнетизма (ACES), а рисунок 2 – корреляцию между результатами моделирования и физическим тестированием.

 

Рис. 1 – Тестовый случай ACES.

 

Рис. 2 – Результаты моделирования совпадают с физическими измерениями.

Оптимизация размещения блока управления ECU

Рассмотрим более практический пример анализа приёма GPS в различных областях машины, чтобы определить наилучшее месторасположение для блока. Телематический встроенный блок управления GPS принимает сигнал, переданный спутниками на частоте L1 (1.575 ГГц), вычисляет реальную позицию автомобиля и отправляет эти данные по сотовым сетям. Переходный решатель с возбуждением плоской волной частоты 1.575 ГГц с правой круговой поляризацией (RHCP), падающей сверху по нормали к поверхности машины используется для моделирования GPS-сигнала. Электрическое поле может быть визуализировано в любом месте во времени, показывая отражения от структур автомобиля, способные вызвать многолучевое распространение, ослабление и сдвиг сигнала по фазе.

GPS-сигнал принимается с многочисленными углами падения. Нестационарный анализ для множества волн требует большого количества времени. Альтернатива – моделировать эффективность излучения, передавая сигнал L1 через антенну GPS передатчика ECU, вместо того, чтобы излучать его. Эффективность излучения – это отношение излученной мощности к принятой. Излученная мощность – это величина усреднённой по времени мощности в Ваттах, исходящей из передающей антенны через границу с условием Radiation, в данном случае – боковые грани воздушной области, окружающей машину в модели HFSS. Метод эффективности излучения может обеспечить быстрые результаты в частотной области, показывающие лучшие варианты размещения GPS внутри автомобиля. Трехмерное изображение поля в ближней зоне и поля излучения на рисунках 3 и 4 иллюстрируют, что эффективность излучения e равна 83 процентам в точке 1 и лишь 43 процентам в точке 2.

 

Рисунок 3 – Модель, 3D-изображение и диаграмма направленности излучения для точки 1.

 

Рисунок 4 – Модель (вид слева), 3D-изображение и диаграмма направленности излучения для точки 2.

Моделирование стандартов ЭМС для всего автомобиля

Для автомобилей существуют несколько стандартов, созданных с целью уменьшить вероятность ЭМ интерференции при лабораторном тестировании. Один из важнейших из них – ISO 11541-2, предназначенный определить защищённость машин от электрических возмущений из внешних источников. Антенна облучает автомобиль в безэховой камере, при этом электронные подсистемы запущены, чтобы убедиться, что они работают без нарушений. Сам прототип и оборудование для проведения теста весьма дороги, а тест занимает много времени, ограничивая количество раз, которое он может быть проведен в течение цикла разработки.

Самое большое препятствие в проведении данного теста – большая вычислительная область, требующаяся для моделирования воздушной зоны. Гибридный метод конечных элементов/граничных интегральных уравнений (FEBI) помогает преодолеть это, используя интеграл по границе раздела – решение условия излучения Соммерфелда методом моментов (MoM) – в качестве границы интерфейса решения конечного элемента. Это избавляет от необходимости моделировать воздушную область, предусматривая точное математическое нахождение излучения в дальней зоне. Данный алгоритм может быть использован для подготовки имитации всей машины, в том числе геометрически сложных участков и диэлектрических материалов, без расчёта в воздушных областях, находя точные результаты моделирования с меньшими затратами на вычисления.

Рисунок 5 показывает распределение электрического поля и излучения антенны в дальней зоне при 1 ГГц для полной модели автомобиля, соответствующего ISO 114 51-2, полученного с помощью обычного метода конечных элементов (FEM). Воздушная зона была предоставлена для всей расчётной области, в том числе моделировались и поглощающие элементы на боковых стенках. Для данного моделирования 89 процентов всего числа элементов были использованы для имитации воздуха. Модель была рассчитана методом декомпозиции конечной области (DDM) на высокопроизводительной вычислительной платформе с 12 узлами за 310 минут, на вычисление потребовалось 75 ГБ оперативной памяти.

 

Рисунок 5 – Полная трёхмерная FEM-модель, показывающая поперечное распределение электрического поля в воздушной области при 1 ГГц.

Похожий тест был проведён с помощью метода FEBI. Большая воздушная зона, содержащая большую часть модели, посредством метода FEM была заменена двумя подобными областями меньшего размера, чьи внешние поверхности близки к антенне и автомобилю. Поглощающие элементы были представлены граничным условием интегрального уравнения (IE), приводящему к тому же результату. Распределение электрического поля проиллюстрировано на рисунке 6 для всей расчётной области для обоих методов. Диаграммы поля антенны в дальней зоне FEM и FEBI почти идентичны, что показывает существенную и точную равность этих методов. Однако метод FEBI требует лишь 28 минут и 6.8 ГБ оперативной памяти для решения на той же 12-узловой платформе. В итоге с помощью метода FEBI время решения и затраты на расчёты были уменьшены примерно в 10 раз.

 

Рисунок 6 – График распределения электрического поля для всей области (методы FEM и FEBI).

 

Оценка защищённости модулей ECU

Метод FEBI также может быть использован для оценки защищённости модулей встроенного блока управления. В моделировании участвует печатная плата, подключенная к жгуту проводников двигателя. Переданный сигнал проходит через датчик в центре двигателя по жгуту к плате. Жгут проходит от платы и вокруг двигателя, как показано на рисунке 7. Жгут соединен с красным коннектором, один из выводов которого припаян к дорожке, начинающейся на верхней стороне платы ближе к разъёму, а затем проходит по верхней её стороне, где соединён с микроконтроллером.

 

Рисунок 7 – Электрические поля в жгуте проводов (выше) и подключение к плате (ниже).

Чтобы исследовать роль жгута проводников, две симуляции были запущены для всей этой геометрии, модели машины и передающей антенны. В первом варианте с платой соединены три кабеля жгута. Во втором они были удалены, а случайный сигнал стандарта CAN J1939 был направлен непосредственно к коннектору платы. На рисунке 8 показаны матрицы рассеяния обеих симуляций. Результаты иллюстрируют резонанс соединённой со жгутом платы, а также то, что связь между передающей антенной и платой усилилась больше чем на 30 дБ на частотах 152–191 МГц, когда к плате был подключен жгут.

 

Рисунок 8 – Матрица рассеяния для одиночной платы и платы со жгутом.

 

Расчёт воздействия ЭМС на компоненты

Воздействие ЭМС на компоненты тоже может быть учтено. Работа подушки безопасности и информационно-развлекательных систем зависит от скорости работы микроконтроллера (MCU). Рабочая частота MCU, в свою очередь, зависит от качества принимаемой мощности. Плохо структурированная плата может вызвать падение напряжения на 100 мВ или больше, что понизит производительность MCU при 40–60 МГц, таким образом печатная плата должна быть спроектирована должным образом. Целостность питания – общая проблема и для чипа, и для корпуса и структуры платы, так что она не может быть решена для отдельного домена.

Существующие методы выбора/проектирования корпусов основаны на самом базовом подсчёте энергии чипа, вроде общей мощности, так что разработчики плат часто не имеют данных о переходных характеристиках потребления мощности чипом.

Компания ANSYS недавно приобрел инструменты Apache Design для маломощных структур микросхем, позволяющие использовать компактные модели, вроде модели мощности чипа (CPM™), в моделировании на уровне систем. CPM – это компактная модель SPICE-эквивалентной схемы, учитывающая сигнатуры токов переключения, паразитные связи сразу всей энергосети чипа. Энергетическая модель чипа может предложить выбор дизайна корпуса микросхемы и на этапе пост-макета проводить его проверку. Модель также используется для разработки и оптимизации цепей питания печатной платы.

 

Рисунок 9 – Повышение точности с помощью модели мощности чипа CPM

Заключение

Проблема EMI (электромагнитных помех) в современных автомобилях становится все более актуальной, это обусловлено все большим использованием высокочастотных компонентов. Моделирование даёт возможность рассмотреть излучение подробнее и оценить его влияние на работу внутренних подсистем автомобиля. Этот метод ещё на ранних стадиях процесса разработки позволяет учесть все потенциальные проблемы с электроникой и оптимизировать дизайн ещё до первого прототипа.

 

Автор:  д-р Джулиано Фуджиока Мологни

Старший инженер ESSS


 

 

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии