Voir l'invisible : la simulation des performances électromagnétiques

Aujourd'hui rencontre demain : comment la simulation électromagnétique aide les développeurs pour la technologie des antennes et leur placement.

La conduite autonome implique une communication entre les voitures, les infrastructures et les autres obstacles. C'est pourquoi la technologie V2X (vehicle-to-everything) est nécessaire pour garantir sa sécurité et sa fiabilité lors de la circulation sur les routes, dans les parkings et dans les quartiers.

Les antennes permettent aux véhicules autonomes de communiquer avec d'autres véhicules qui peuvent ne pas être visibles à l'œil nu, par exemple s'ils se trouvent dans un virage.

À mesure que les demandes de connectivité vers et depuis le véhicule augmentent, il est essentiel pour les concepteurs et les ingénieurs de trouver les emplacements idéaux pour les antennes tout en tenant compte de toutes les contraintes et complexités liées aux interférences électromagnétiques, à la mécanique, à la mécanique des fluides numériques et aux questions de style. Face à ces complexités, les développeurs sont aussi contraints de maintenir les performances malgré les délais de commercialisation et les limites budgétaires. En définitive, l'approche par essais et erreurs est trop coûteuse, prend trop de temps et n'est plus acceptable.

De l'avion au véhicule autonome, les antennes sont un élément fondamental de tout système de communication et de détection. Toute plateforme/tout système visant à transmettre ou à recevoir des informations par l'intermédiaire d'un champ électromagnétique est équipé(e) d'antennes et celles-ci représentent une partie de la chaîne de traitement du signal/de l'information entre la source et le récepteur.

Par conséquent, seules une conception adéquate de l'antenne et l'identification de l'interaction électromagnétique entre l'antenne et l'environnement proche peuvent garantir que les niveaux de service requis et le contrôle des questions de sécurité sont respectés.

Conception de l'antenne

Les antennes doivent fonctionner dans un environnement complexe et répondre aux exigences des autres parties composant le système. Elles ont également leurs propres exigences, telles que la forme, la taille, le poids, les contraintes d'installation et les réglementations qui doivent être prises en compte. Et puis, il y a l'utilisation finale. Par exemple, la conception de la carrosserie d'un véhicule joue un rôle majeur dans l'intérêt du client qui souhaite l'acheter. L'emplacement de l'antenne n'entrera probablement pas en ligne de compte dans cette conception.

Avec des environnements électromagnétiques complexes, il est probable que des problèmes devront être résolus bien avant la production et l'installation d'une antenne. Il y a trois catégories de problèmes à prendre en considération :

Système de communication/détection. Les antennes ne fonctionnent pas de manière isolée dans l'espace lointain. Elles sont installées sur des plateformes, intégrées dans des mobiles et des ordinateurs personnels, et dans bien d'autres endroits. Cela signifie que les concepteurs doivent prendre en compte les effets de l'environnement sur les performances de l'antenne, tant au niveau de la conception de l'antenne que de l'installation. Par exemple, l'interaction d'une antenne radar d'un système avancé d'aide à la conduite (ADAS) avec le pare-chocs peut entraîner une distorsion du diagramme, réduisant ainsi les performances du radar ADAS.

• Interférence entre systèmes co-installés. Le champ émis par une antenne peut provoquer des interférences électromagnétiques avec d'autres systèmes à base d'antennes co-installés. La puissance émise par une antenne émettrice peut se coupler à une antenne réceptrice, provoquant ainsi un effet de désensibilisation sur le récepteur. Cela risque d'entraîner un dysfonctionnement potentiel. Ces risques d'interférences électromagnétiques doivent être contrôlés au niveau de la conception.

• Sécurité, équipement militaire et carburant situés à proximité de l'antenne émettrice. Les antennes émettrices à haute puissance créent des niveaux de champ E-H élevés dans les zones environnantes, ce qui peut être dangereux pour les personnes, les équipements militaires et le carburant. Une connaissance détaillée du rayonnement du champ proche est nécessaire pour définir les contre-mesures appropriées.

La simulation pour résoudre les problèmes

Le nombre de composants électroniques dans les produits ne cessant d'augmenter, les ingénieurs doivent comprendre comment les performances électromagnétiques peuvent affecter et interférer avec celles du produit. Par exemple, les moteurs électriques, les capteurs et les antennes sont très répandus. Ces composants jouent un rôle plus important dans le processus de développement et doivent être intégrés dans la simulation électromagnétique, qui consiste essentiellement à "voir l'invisible", comme le champ électromagnétique, les courants, la charge, les tensions et la distribution de l'énergie et de la puissance tout au long de l'espace 3D.

Grâce aux progrès de la technologie de simulation, un jumeau numérique complet peut fournir une aide valable pour résoudre les problèmes de conception de manière efficace. Les mesures sont ensuite utilisées pour régler le jumeau numérique et pour vérifier les performances de la configuration finale de l'antenne et de la plateforme.

Le jumeau numérique complet pourrait également aider à simuler la réalité exacte en 3D, permettre aux concepteurs et aux ingénieurs d'explorer l'espace de conception et de trouver des solutions de compromis tant au niveau de l'antenne qu'au niveau de l'installation, notamment en minimisant l'interaction avec les structures environnantes et les interférences avec les antennes et les systèmes co-installés.

Tout comme la technologie de simulation appliquée à d'autres disciplines, la simulation électromagnétique peut être utilisée à des fins multiples telles que l'analyse, le diagnostic, l'aide à la définition des mesures, la compréhension des mesures et l'aide à la certification.

Enfin, la simulation permet un prototypage plus rapide et une exploration plus efficace de l'espace de solution dans la phase initiale de conception, lorsqu'aucun matériel n'est disponible, et peut évaluer l'effet du vieillissement des matériaux, des conducteurs, l'effet de la modification de l'environnement électromagnétique ainsi que l'impact de l'environnement physique. Elle peut également minimiser les risques d'échec en matière d'acceptation, de qualification et de certification.

Sans simulation, les véhicules autonomes devraient être testés sur 11 milliards de kilomètres de route, une tâche irréaliste et impossible. La simulation permet de réduire le processus de plusieurs mois à quelques jours. C'est pourquoi les développeurs ont de plus en plus recours au jumeau numérique et à la numérisation pour tester et valider les systèmes d'antennes. Les problèmes sont moins coûteux et moins longs à résoudre car ils sont identifiés plus tôt dans le processus de développement.

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