Das Unsichtbare sichtbar machen: Simulation der elektromagnetischen Leistung

Zukunftsweisende Technologie: Wie elektromagnetische Simulation Entwicklern bei der Optimierung von Antennen und deren Platzierung hilft

Autonomes Fahren basiert auf der Kommunikation zwischen Fahrzeugen, der Infrastruktur und anderen Objekten im Verkehrsraum. Daher wird die Vehicle-to-Everything-Technologie (V2X) benötigt, um Sicherheit und Verlässlichkeit zu garantieren, wenn sich das Fahrzeug durch Straßen, Parkplätze und Wohngegenden navigiert.

Antennenfunktionen geben autonomen Fahrzeugen die Möglichkeit, mit anderen Fahrzeugen zu kommunizieren, die für das menschliche Auge möglicherweise nicht sichtbar sind, z. B. wenn sie um eine Ecke fahren.

Mit steigender Nachfrage nach Konnektivität zum und vom Fahrzeug, ist es entscheidend für Entwickler und Ingenieure, die idealen Positionen für die Antennen zu finden, während sie zudem alle Einschränkungen und komplexen Zusammenhänge in Bezug auf elektromagnetische Interferenzen, Mechanik, numerische Strömungsmechanik und Stil berücksichtigen. Diese zunehmende Komplexität setzt Entwickler unter Druck, die Leistung trotz kurzer Markteinführungszeiten und Budgeteinschränkungen beizubehalten. Fazit: Der Versuch-und-Irrtum-Ansatz ist zu teuer, zeitaufwendig und nicht mehr akzeptabel.

Von Flugzeugen bis hin zu autonomen Fahrzeugen bilden Antennen einen wesentlichen Bestandteil jedes Kommunikations- und Sensorsystems. Jede Plattform oder jedes System, das Informationen über ein elektromagnetisches Feld übertragen oder empfangen soll, ist mit Antennen ausgestattet. Diese Antennen bilden einen Teil der Signalverarbeitungskette zwischen Quelle und Empfänger.

Daher kann nur eine ordnungsgemäße Konstruktion der Antenne und die Ermittlung der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen der Antenne und der näheren Umgebung sicherstellen, dass sowohl die geforderten Services als auch die Kontrolle der Sicherheitsaspekte erfüllt werden.

Die Konstruktion des Antenne

Antennen müssen in einer komplexen Umgebung funktionieren und die Anforderungen an die anderen Teile des Systems erfüllen. Sie haben auch ihre eigenen Anforderungen wie geformtes Muster, Größe, Gewicht, Installationsbeschränkungen und Vorschriften, die berücksichtigt werden müssen. Und schließlich kommt es auf die endgültige Verwendung an. Die Karosseriekonstruktion eines Fahrzeugs ist beispielsweise ein wichtiger Aspekt für das Kaufinteresse eines Kunden; die Positionierung der Antennen wird bei ihrer Konstruktion vermutlich keine Berücksichtigung finden.

Komplexe elektromagnetische Umgebungen bergen oft Herausforderungen, die es bereits weit im Vorfeld der Antennenproduktion und -installation zu bewältigen gilt. Es gibt drei verschiedene Arten von Problemen zu beachten:

Kommunikations-/Sensorsystem Im Weltraum können Antennen nicht isoliert arbeiten. Man findet sie installiert auf Plattformen, eingebaut in Mobiltelefone und PCs sowie an vielen weiteren Standorten. Dies bedeutet, dass Konstrukteure die Umwelteinflüsse auf die Antennenleistung sowohl bei der Konstruktion als auch bei der Installation der Antennen berücksichtigen müssen. Beispielsweise kann die Interaktion zwischen einer Radarantenne eines fortgeschrittenen Fahrerassistenzsystems (ADAS) und dem Stoßfänger zu einer Verzerrung des Strahlungsmusters führen, was die Leistung des ADAS-Radars beeinträchtigt.

• Interferenz zwischen mitinstallierten Systemen Das von einer Antenne ausgestrahlte Feld kann elektromagnetische Störungen bei anderen, am selben Standort installierten antennenbasierten Systemen hervorrufen. Die von einer Sendeantenne ausgestrahlte Leistung kann sich mit einer Empfangsantenne koppeln und dadurch eine Desensibilisierung des Empfängers bewirken. Dies birgt das Risiko einer möglichen Fehlfunktion. Solche Risiken elektromagnetischer Störungen müssen bereits in der Konstruktionsphase kontrolliert werden.

• Sicherheit, Munition und Treibstoff in unmittelbarer Nähe der SendeantenneHochleistungs-Sendeantennen erzeugen in ihrer Umgebung starke elektrische und magnetische Felder, die für Menschen, Munition und Treibstoffe eine Gefahr darstellen können. Fundierte Kenntnisse über die Nahfeldverteilung sind notwendig, um geeignete Gegenmaßnahmen festzulegen.

Simulation als Problemlöser

Mit der steigenden Anzahl elektronischer Produktkomponenten müssen Ingenieure genauer verstehen, wie sich die elektromagnetische Leistung möglicherweise auf die Produktleistung auswirken und diese beeinträchtigen kann. Elektromotoren, Sensoren und Antennen sind zum Beispiel zunehmend verbreitet. Diese Komponenten spielen eine größere Rolle im Entwicklungsprozess und müssen Teil der elektromagnetischen Simulation sein, was im Wesentlichen bedeutet, „das Unsichtbare sichtbar zu machen“, wie beispielsweise die Visualisierung von E/H-Feldern, Strömen, Ladungen, Spannungen und Energie-/Leistungsverteilungen im gesamten dreidimensionalen Raum.

Dank der Fortschritte in der Simulationstechnologie kann ein umfassender digitaler Zwilling eine effektive und effiziente Unterstützung bei der Lösung von Konstruktionsproblemen bieten. Die Messungen werden dann verwendet, um den digitalen Zwilling abzustimmen und die Leistung der endgültigen Antennen- und Plattformkonfiguration zu überprüfen.

Mithilfe des umfassenden digitalen Zwillings ließe sich die exakte 3D-Realität simulieren, wodurch Konstrukteure den Konstruktionsbereich erkunden und Kompromisslösungen auf Antennen- und Installationsebene finden könnten. Dazu gehört auch die Minimierung der Interaktion mit umgebenden Strukturen sowie der Störungen durch gleichzeitig installierte Antennen und Systeme.

Ähnlich wie Simulationstechnologien in anderen Fachbereichen findet die elektromagnetische Simulation vielfältige Anwendung, etwa in der Analyse, Diagnose, bei der Festlegung und Interpretation von Messungen sowie zur Unterstützung von Zertifizierungsprozessen.

Schließlich ermöglicht die Simulation in der frühen Konstruktionsphase, wenn noch keine Hardware verfügbar ist, ein schnelleres Prototyping und eine effizientere Erforschung des Lösungsraums. Zudem kann sie die Auswirkungen der Alterung von Materialien und Leitern, die Folgen von Veränderungen in der elektromagnetischen Umgebung sowie den Einfluss der physikalischen Umgebung bewerten. Es kann auch das Risiko von Akzeptanz-, Qualifizierungs- und Zertifizierungsfehlern minimieren.

Ohne Simulation müssten autonome Fahrzeuge auf 11 Milliarden Straßenkilometern getestet werden - eine unrealistische und unmögliche Aufgabe. Die Simulation hilft, den Prozess von Monaten auf Tage zu verkürzen. Deshalb setzen Entwickler vermehrt auf digitale Zwillinge und Simulationen, um Antennensysteme zu testen und zu validieren. Probleme sind kostengünstiger und schneller zu lösen, da sie früher im Entwicklungsprozess identifiziert werden.

Umfassende und teamorientierte Software und Lösungen sind Teil des Siemens Xcelerator-Portfolios und können Entwicklern helfen, Simulation und digitale Tools effizient und effektiv zu nutzen.

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