Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik
Antennen
Antennen Antennenarray-Design für ADAS Dieser Artikel diskutiert verschiedene Zielansätze im Zusammenhang mit der Entwicklung von mmWave- Radarystemen für die nächste Generation von smarten Fahrzeugen und untersucht die neuen Fähigkeiten von Software, um solche Design-Anstrengungen zu unterstützen. AWR www.ni.com Übersetzt und bearbeitet von Frank Sichla (FS) Im Vordergrund stehen dabei High-Performance-Antennenarrays. NI AWR Software Tools ermöglichen es, auf optimale Weise bei Phased-Array/Feed- Network und Komponenten/ System vom ersten Konzept zum fertigen Produkt zu gelangen. Radar & ADAS Die Einführung der Radartechnologie im 76...81-GHz-Spektrum zielt auf fortgeschrittene Driver-Assist-Systeme (ADAS), welche Fahrzeuge smart und intelligent machen sollen, wobei die Signalisierung und Bewältigung von potentiellen Gefahrensituationen im Vordergrund steht. Mit diesem Ziel verbunden ist eine Anzahl von Funktionen wie Reifendruckwarnung (low tire pressure warning), Kollisionsvorbeugung (collision avoidance) und autonomes Parken (self-parking). Diese Radarapplikationen nutzen das Millimeterwellen-Spektrum (mmWave), um möglichst viel an Bandbreite für eine größere Auflösung und eine präzisere Objekt-Detektierung nutzen zu können. Dieser Artikel diskutiert verschiedene Zielansätze im Zusammenhang mit der Entwicklung von entsprechenden mmWave- Radarystemen für die nächste Generation von smarten Fahrzeugen, einschließlich Trucks und untersucht die neuen Fähigkeiten von Software, um solche Design-Anstrengungen zu unterstützen. Im Vordergrund stehen hier High-Performance-Antennenarrays, die unter Kosten und Raumbedarfaspekten betrachtet werden. Ein erweiterter Phased-Array Generator Wizard innerhalb der NI-AWR-Design-Environment- Plattform erlaubt es Nutzern, auf interaktive Weise Phased-Array- Antennensysteme zu entwerfen und Netzwerk-Schemata oder Systemdiagramme für die weitere Schaltungs- und System/ EM-Analyse heranzuziehen. Anwender können leicht die Arraygeometrie (configuration), die Feed-Structuren, Gewinnvorgaben oder die Characteristiken von individuellen Elementen und ihrer HF-Links definieren. Dieser Wizard arbeitet interaktiv mit den NI AWR Software Tools, um auf optimale Weise bei Phased- Array/Feed-Networks und Komponenten/System vom ersten Konzept zum fertigen Produkt zu gelangen. Überblick über ADAS Automobil-Hersteller rüsten ihre neuen Modelle mit ADAS, basierend auf Vision-Sensortechnologie und Radarsystemen, die bei 24 und/oder 77 GHz arbeiten, aus. Bild 1 zeigt die verschiedenen ADAS-Funktionen und -Bereiche. Die technischen Vorteile des 77-GHz-Bands sind kleinere Antennen (ein Drittel der Größe gegenüber den üblichen für 24 GHz), eine höhere erlaubte Sendeleistung und, am meisten von Bedeutung, ein breiterer Arbeitsfrequenzbereich zur Ermöglichung einer höheren Objektauflösung. NI AWR Software Tools unterstützen das Phased-Array- Design einschließlich: • Visual System Simulator (VSS) Der Entwurf von Wellenformen, die Basisband-Signalverarbeitung und die Parameterbestimmung für Radarsysteme, mit spezieller Analyse für Radarmessungen, zusammen mit umfassenden Verhaltensmodellen für HF-Komponenten und Signalverarbeitung sind möglich. Die Anforderungen an die Komponenten und an Array/Antenne sind determiniert durch Nutzung einer Systempegel-Link- Analyse. • Microwave Office Circuit Simulation Das Design von HF/Mikrowellen-Frontends mit einer Schaltungs-Level-Analyse, das Modellieren von gewünschten Übertragungsleitungen und aktiven sowie passiven Bauteilen bzw. Baugruppen zwecks Entwurf der passenden Platine (PCB) und das Design monolithischer Mikrowellen-Schaltungen (MMICs) und von HF- ICs sind möglich. • AXIEM und Analyst EM und AntSyn Damit erfolgt die Antennensimulation. Hierzu gehören 16 hf-praxis 5/2019
Antennen Bild 1: Verschiedene Bereiche, Sichtfelder (fields-of-view, FOV) und Funktionen für ADAS (Quelle: Analog Devices) Planar/3D-Electromagnetic- Analyse (EM) zwecks Charakterisierung des elektrischen Verhaltens von passiven Strukturen, komplexen Inter-Verbindungen und Gehäuseformen (housings), wie Antennen und Antennenarrays. Die Antennensynthese generiert ein physisches Antennen-Design auf Basis der Performance-Spezifikationen. • Phased-Array Generator Wizard Dieser unterstützt die Arraykonfiguration. Zunächst erfolgt eine Analyse der zum Array gehörenden Richtdiagramme für individuelle Arrayelemente und die Feed-Schaltung auf Basis der Nutzervorgaben (user input), dann können die Schaltung/das System und Testaufbauten für eine weitergehende Analyse generiert werden. Erstellung von Designs mit dem Wizard Einer der Vorzüge des Phased- Array Generator Wizards ist, dass er Designer mit seinem leistungsfähigen und intuitiven Interface anleiten kann, einer physikalischen Arraykonfiguration Antennen- und HF-Link- Charakteristika zuordnen kann unter Beachtung von einzelnen oder Gruppen von Elementen. Der Wizard hilft, Feed-Netzwerke und Gewinn zu optimieren und simuliert die Auswirkungen von Änderungen einschließlich potentieller Elemente-Fehler (Aufmacherbild). Dies erlaubt es Nutzern, einen Fernfeld-Plot zu erstellen, bei dem sich Frequenz, Eingangsleistung sowie Winkel variieren lassen, um die Parameterwerte auszutesten. Das resultierende Richtdiagramm zeigt dem Designer in Realzeit den Einfluss seiner Entscheidungen auf die Fernfeld-Performance. Die Entwicklung aktueller Phased-Array-Hardware erfordert es, den Design- und Simulationsfokus in Richtung Schaltungspegelanalyse und physikalisch realisierbaren Komponenten auszurichten. Das schließlich erreichte ERgebnis (design flow) zeigt Bild 2. Das Antennen-Design Ein multimodales Radar für ein ACC-System auf Basis eines frequenzmodulierten CW-Radars (FMCW-Radar), bei dem mehrere Antennenarrays eingesetzt werden, zeigt Bild 3. Dieses Beispiel illustriert die Nutzung von Mehrfachantennen-Array-Systemen, wobei für diesen Systemtyp folgende Voraussetzungen erforderlich sind: • 5 x 12 Elemente, seriell gespeiste Patch-Antennen (SFPAs) für die Weitbereichs-Schmalwinkel-Detection (77 GHz) • 1 Element (1 x 12) SFPA, für 24 GHz, das für die Breitwinkel- Detection im Nahbereich sorgt • vier (1 x 12) SFPAs für den Empfänger Bild 3 zeigt das digitale Multi- band/Multibereichs-FMCW- Beamforming-ACC-Radar, das sechs individuelle SFPAs nutzt. Die Radar-Performance wird in hohem Maßstab von der Antennentechnologie beeinflusst, wobei die elektrischen Eigenschaften (gain, beam width, range) ebenso beachtet werden müssen wie die physikalischen (size), und das immer mit Bezug auf die einzelne Applikation. Die mehrfachen festen Sende- und Empfangsantennen-Arrays in diesem Radar wurden optimiert bezüglich Frequenzbereich, Abstrahlwinkel und Nebenzipfel-Unterdrückung (side-lobe suppression). Arraykonfiguration und Feed-Definition Mit individuellen Elementen, designed und charakterisiert durch EM Analyse, können Nutzer spezielle Arrayparameter (size, number of elements, Bild 2: Der VSS Phased-Array Generator Wizard nutzt die Eingaben des Designers, um ein Antennenarray zu generieren hf-praxis 5/2019 17
