레이더는 자율주행차와 첨단운전자보조시스템(ADAS)의 핵심 기술입니다. 레이더는 안테나를 이용해 전자기파를 송수신하여 그 정보를 분석하는 시스템으로 안테나의 전자기파 송수신 능력에 정확도가 크게 달라질 수 있습니다. 안테나는 자유공간에서 동작하는 특성과 실제 환경에서 동작하는 특성이 달라 안테나가 배치되는 위치에 따라 방사 특성이 크게 변경됩니다. 그 이유는 안테나가 동작하는 주변의 유전체 및 도체에 의한 영향으로 인해 동작 특성이 변화하기 때문입니다.
예를 들어, 자동차에서 레이더 센서는 미관 및 보호 목적으로 종종 레이돔 또는 차량 엠블럼 뒤에 배치됩니다. 그림 1은 차량 엠블럼 뒤의 금속 브래킷에 장착된 레이더 안테나를 보여줍니다. 두께가 균일하지 않은 유전체 레이돔이 안테나를 덮어 보호하는 구조를 볼 수 있습니다.
Figure1: Placement of radar antennas behind the emblem of a vehicle. The radome has a non-uniform thickness dielectric.
엔지니어는 범퍼와 엠블럼이 안테나의 의도된 전파강도를 크게 줄이거나 안테나 요소 간의 위상 관계를 왜곡하지 않도록 설계해야 합니다. 만일 이러한 현상들이 발생하게 된다면 레이더의 유효 탐지 범위를 감소시키거나 표적의 도달 각도를 결정할 때 오류를 유발할 수 있기 때문입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 엔지니어는 시뮬레이션에 안테나, 범퍼(레이돔) 및 엠블럼 부분을 포함하여 안테나에 대한 이들의 영향을 분석하고 설계에 반영해야 합니다. 그러나 이러한 시뮬레이션은 일반적으로 전기적 크기가 매우 크기 때문에 유한요소법(FEM)과 같은 기존 EM 해석 기법을 적용하여 시뮬레이션 하기 위해서는 많은 계산 능력과 메모리를 필요로 합니다.
전기적으로 큰 문제에 대한 신속한 해결
Ansys HFSS 슈팅 및 바운싱 광선(SBR+) 솔버는 전기적으로 큰 문제를 효율적으로 해결하는 점근적 광선 추적 전자기 솔버입니다. HFSS SBR+는 기하학적 광학(GO)과 물리적 광학(PO)을 모두 사용하는 하이브리드 해석 기법입니다. 특히, HFSS SBR+는 GO를 사용하여 PO를 다중 바운스로 확장하는 동시에 추가 물리학을 고려합니다. HFSS SBR+는 또한 물리적 회절 이론(PTD) wedge correction 및 creeping waves(CW)를 적용하여 급격한 불연속 표면 근처의 표면 전류 왜곡과 곡면에 의해 발생하는 shadow boundaries의 전류 전파를 설명합니다. UTD(균일한 회절 이론)는 GO 광선을 증가시키고 PTD를 다중 바운스로 확장하여 GO에 따라 송신기의 shadow boundaries에서 CAD 표면을 해석하기 위한 영역으로 인식시키는 데 사용됩니다.
HFSS SBR+는 전기적으로 큰 문제를 효율적인 방식으로 해석하기 위한 충실도가 높은 물리학 기반 시뮬레이션 솔루션을 제공합니다. 특히 HFSS SBR+는 설치된 안테나 성능, 더 넓은 영역에서의 근거리장 해석, 원거리 방사 패턴, 안테나-안테나 커플링, 레이더 단면(RCS) 및 실제 운용환경에서 레이더가 수신할 수 있는 반사 신호를 계산합니다.
안테나 배치 문제에 대한 정확한 해법
기존의 슈팅 및 바운싱 광선 기술은 구조체가 가지는 형상이 프레넬(Fresnel) 반사 및 투과 계수를 특징으로 하는 표면으로 인식되어 솔버에 입력돼야만 했습니다. 이러한 계수는 내부적으로 계산되거나 사용자가 제공하는 테이블을 참고해야 했습니다. 예를 들어, 전도성 물질이 물체의 체적에 할당되면 그 체적은 내부적으로 단면의 유한한 전도율을 가지는 일련의 면으로 변환되어 경계 조건에 대한 해석이 진행되었습니다. 이 접근 방식을 사용하면 벌크 재료를 유전체에 할당할 수 없습니다. 대신, 유전체는 균일한 유한 두께의 효과를 포함하는 임피던스 경계 조건으로 설명됩니다. 이는 유전체가 균일한 두께의 코팅 또는 슬래브로만 시뮬레이션 될 수 있음을 의미합니다.
Figure 2: Alternative simulation workflows for evaluating impact of platforms on the radiation characteristics of an antenna. In the SBR+ approach, the radome is a volumetric dielectric SBR+ region.
HFSS 2021 R2부터 비전도성 유전체 재료를 볼륨 SBR+(vSBR+) 영역에 할당할 수 있습니다. 광선은 스넬(Snell)의 반사 및 굴절 법칙에 따라 유전 영역 내부로 전파될 수 있습니다. 이 새로운 기능을 통해 자동차 계기판, 범퍼, 레이돔 및 렌즈와 같은 다양한 두께의 유전체 영역과 관련된 문제를 정확하게 해결할 수 있습니다.
HFSS는 레이돔과 브래킷이 안테나 성능에 미치는 영향을 두 가지 방식으로 평가합니다. 전파 시뮬레이션의 첫 번째 접근 방식에서는 안테나, 브래킷 및 레이돔이 모두 동일한 도메인 내에 배치되고 HFSS FEM 솔버를 사용하여 해결됩니다. 두 번째 접근 방식에서는 안테나만 HFSS FEM으로 해결합니다. 안테나와 레이돔 및 브래킷의 상호 작용은 SBR+ 영역을 레이돔 및 브래킷에 할당하여 결정됩니다. 이러한 시뮬레이션 과정은 그림 2에 나와 있습니다.
Figure 3: Comparison between the far-field gain patterns obtained from the setups in Figure 2.
새로운 유전체용 vSBR+를 통해 엔지니어는 이제 두께가 균일하지 않은 유전체 개체를 정확하게 시뮬레이션 할 수 있습니다. 그림 3은 HFSS FEM과 HFSS SBR+를 사용하여 얻은 원거리장 전파강도 패턴을 비교한 것입니다. 그림 3에서 HFSS SBR+ 결과는 동일한 문제를 해결하는 데 훨씬 적은 메모리와 시간을 사용하면서 HFSS FEM의 표준 정확도에 접근합니다. 유전체를 위한 새로운 vSBR+ 기능을 통해 엔지니어는 빠르고 효율적인 방식으로 임의의 형태의 유전체를 포함하는 전기적으로 큰 문제를 정확하게 시뮬레이션 할 수 있습니다.
출처 : Ansys New HFSS SBR+ Technology in Ansys 2021 R2 a Big Step Forward for Automotive Radar Integration
