目に見えないものを可視化する: 電磁性能のシミュレーション

今日を明日につなげる: アンテナの技術と配置に関して開発者をサポートする電磁シミュレーション

走行する自動運転車は、車、インフラ、その他の障害物と通信します。そのため、道路、駐車場、自宅周辺をナビゲートする際の安全性と信頼性を確保するには、車車間/路車間通信 (V2X: Vehicle to Everything) 技術が必要です。

自動運転車は、曲がり角など、人間の目には見えない他の車両とアンテナ機能で通信することができます。

車両間の接続性の要求が高まるにつれ、設計者やエンジニアは、電磁干渉、機械力学、数値流体力学、およびスタイルの問題に関連するあらゆる制約と複雑さを考慮しながら、アンテナの理想的な場所を見つけることが重要です。このような複雑さの増大により、開発者は市場投入期間と予算の制約の中で性能を維持するというプレッシャーにさらされています。結論として、試行錯誤のアプローチは、コストも時間もかかりすぎるため、もはや受け入れることはできません。

航空機から自動運転車まで、アンテナはあらゆる通信およびセンシング・システムの基本的な部品です。電磁場を介して情報を送受信することを目的としたプラットフォームやシステムにはアンテナが装備され、これらはソースとレシーバーの間の信号や情報の処理チェーンの一部を表しています。

従って、適切なアンテナを設計し、アンテナと周囲環境との電磁相互作用を特定することで、必要なサービスレベルと安全管理の問題の両方が満たされていることを保証できます。

アンテナの設計

アンテナは複雑な環境で動作し、システムの他の部分の要件を満たす必要があります。また、成形パターン、サイズ、重量、設置の制約、規制など、考慮すべき独自の要件もあります。そして、最終用途があります。例えば、購入者は車体のデザインを最も重視するため、アンテナの配置は設計に考慮されない可能性があります。

複雑な電磁環境では、アンテナを製造して設置するかなり前に、対処が必要な問題が発生する可能性があります。考慮すべき問題には、次の3種類があります。

通信/センシング・システム。アンテナは、奥行きがある場所に離れて設置された状態では機能しません。アンテナは、モバイル機器やパソコンなどに統合されたプラットフォームに設置されています。つまり、設計者は、アンテナ設計と設置の両レベルで環境がアンテナの性能に与える影響を考慮する必要があります。例えば、先進運転支援システム (ADAS) レーダー・アンテナとバンパーの相互作用によりパターンが歪み、ADASレーダーの性能が低下する可能性があります。

• 共同設置されたシステム間の干渉。アンテナの放射電界は、他の共同設置アンテナベースのシステムと電磁干渉を引き起こす可能性があります。送信アンテナから放射される電力は、受信アンテナに結合し、受信機の感度を抑圧する可能性があります。これにより、誤動作が生じるリスクがあります。このような電磁干渉のリスクは、設計レベルで制御する必要があります。

• 安全性: 送信アンテナの近くにある兵器、燃料。高出力送信アンテナは、周辺エリアに高い電界/磁界レベルを作り出し、人、兵器、燃料に危険を及ぼす可能性があります。適切な対策を定義するには、近傍界の分布に関する詳細な知識が必要です。

シミュレーションによる問題解決

製品に搭載される電子機器の数が増え続ける中、エンジニアは、電磁性能が製品の性能にどのような影響を与え、干渉するかを理解する必要があります。例えば、電気モーター、センサー、アンテナは広く普及しています。これらのコンポーネントは、開発プロセスでより大きな役割を果たすため、「目に見えないものを可視化する」電磁シミュレーションに含める必要があります。これにより、電界/磁界、電流、電荷、電圧、エネルギー/電力分布を3D空間全体で可視化することができます。

シミュレーション技術の進歩により、包括的なデジタルツインを使って、効果的かつ効率的な方法で設計上の問題に対処できるようになります。その後、実測値を使用してデジタルツインを調整し、最終的なアンテナとプラットフォーム構成の性能を検証します。

包括的なデジタルツインは、正確な3Dリアリティをシミュレーションするのにも役立ち、設計者やエンジニアは設計空間を探索し、周囲の構造物との相互作用や、共同設置されたアンテナやシステムとの干渉を最小限に抑えるなど、アンテナと設置の両レベルで最適なソリューションを見つけることができます。

他の分野で適用されるシミュレーション技術と同様に、電磁シミュレーションは、解析、診断、測定定義のサポート、実測値の理解、認証のサポートなど、複数の目的に使用できます。

さらに、ハードウェアを利用できない設計の初期段階でも、シミュレーションを使用することで、より迅速なプロトタイピング、および設計空間のより効率的な探索が可能になり、材料や導体の経年劣化の影響、電磁環境の変化の影響、物理環境の影響を評価できます。また、受け入れ、資格認定、認証の失敗リスクを最小限に抑えることもできます。

シミュレーションを行わなければ、自動運転車を110億マイルの道路でテストする必要があります。これは非現実的で不可能な作業です。シミュレーションにより、プロセスを数か月から数日に短縮することができます。このような理由から、アンテナ・システムのテストと検証にデジタルツインとシミュレーションを使用する開発者が増えています。開発プロセスの初期段階で問題を特定できるため、問題解決にかかる費用と時間を抑えられます。

Siemens Xceleratorポートフォリオの包括的で協調的なソフトウェアとソリューションにより、開発者はシミュレーション・ツールとデジタル・ツールを効率的かつ効果的に使用することができます。

Siemens Xceleratorの詳細については、https://www.sw.siemens.com/portfolio/でご確認ください。

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