Front-end controlável eletronicamente para qualificação de radares automotivos

Sua tarefa

A direção autônoma (AD) e os sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) são os principais fatores que impulsionam inovações no setor automotivo. Os sensores de radar são uma das principais tecnologias para direção autônoma e sistemas avançados de assistência ao motorista e precisam ser testados em diferentes cenários, tais como com pedestres (um objeto que atravessa diante do veículo), ao dirigir na cidade (dirigindo em direção a um veículo parado ou mais devagar) e em viagens entre diferentes áreas urbanas (semelhante a condução em áreas urbanas em que a linha central do veículo de teste não está alinhada com o centro do alvo).

Os cenários de teste de hardware no circuito (HiL) e de veículo no circuito (ViL) com recursos de simulação de alvo mais complexos são necessários para atingir os níveis 4 e 5 de sistemas avançados de assistência ao motorista. A demanda também está aumentando para simulação de radar em bancada e testes funcionais, de forma a acelerar o processo de validação (fig. 1).

Atualmente, os fabricantes de equipamentos de origem e os prestadores de serviços de engenharia utilizam ambientes simulados com sistemas de software no circuito para testar sensores e controlar módulos. As simulações de software são valiosas, mas não conseguem reproduzir as respostas reais e potencialmente imperfeitas dos sensores. Os veículos totalmente autônomos devem lidar com essas irregularidades. É necessário testar na estrada um sistema integrado completo em um protótipo ou em um veículo legalizado para circulação, pois isso permite que os fabricantes de equipamentos de origem validem um produto final antes do lançamento no mercado. Os testes de estrada são importantes para o processo de desenvolvimento, mas eles não são suficientes por si só: são caros, demorados e difíceis de reproduzir.

É necessário fazer mais testes em toda a cadeia de valor de desenvolvimento de sensores e integrar casos de uso simples, como testes de componentes de sensores de radar únicos, e testes de cenários complexos com vários sensores. O objetivo é testar funções de direção autônoma, como controle de navegação adaptativo ou sistemas de frenagem de emergência, sob várias condições de laboratório (veja a fig. 2).

Realizar testes realistas e reprodutíveis de sensores de radar é um desafio na cadeia de valor de sensores:

• O sensor de radar é uma caixa preta. Um sistema de testes deve estimular o sensor de radar e as suas respostas sem conhecer os processos internos.
• O sistema deve evitar reflexões indesejadas do ambiente ou da configuração para testes, como as antenas cornetas. Ele deve reduzir a influência de equipamentos de teste e medição e de interferências externas^¹ no sinal do radar. Ele deve manter um sistema independente de todas essas interferências tanto quanto possível e garantir uma operação confiável.
• Um sistema flexível e escalável é necessário para abranger toda a cadeia de testes de sensores e de sistemas avançados de assistência ao motorista. É muito útil ter um sistema que pode ser usado e implementado em toda a cadeia de valor.

^{¹ Redução do piso de ruído do sensor, bem como supressão de alvos de curta distância e potenciais reflexões multipercurso.}

A solução da Rohde & Schwarz

Os simuladores de alvo atuais utilizam antenas cornetas como front-ends, onde cada ponto é direcionado para os sensores de radar e simula posições horizontais e verticais movendo a antena mecanicamente. A automação mecânica reduz os tempos gerais de teste. Cada movimento da antena altera o ângulo de chegada (AoA) do eco, levando a erros e à perda de precisão ao renderizar alvos quando as antenas não são recalculadas ou recalibradas.

Para superar as limitações atuais do sistema e lidar com a crescente importância de hardware no circuito e veículo no circuito, a Rohde & Schwarz desenvolveu o avançado conjunto de antenas R&S®QAT100, o primeiro conjunto de antenas do mundo controlável eletronicamente. O R&S®QAT100 simula azimute e elevação ativando pequenas antenas patch. O tempo de comutação entre as antenas é de cerca de 2 ms para simular alvos azimutais que se movam rapidamente (por exemplo, trânsito cruzado em cenários de cruzamento ou ultrapassagem).

Vantagens do R&S®QAT100 em relação à abordagem mecânica

Estimulação de radar over-the-air (OTA) em elevação e azimute sem mover as antenas fisicamente

• As antenas de transmissão comutáveis dão ao R&S®QAT100 alta resolução, alta velocidade, alta reprodutibilidade e melhor desempenho de RF
• A comutação eletrônica da antena não gera qualquer desgaste nos cabos de RF ou em outras partes móveis
• Nenhuma transferência mecânica é necessária

Sinal de RF limpo: sem reflexões do front-end

As antenas de placa de circuito impresso têm uma seção transversal de radar (RCS) muito mais baixa do que as antenas cornetas de ganho padrão utilizadas em outros sistemas. O sistema de blindagem eletromagnética R&S®QAT-B50 garante um ambiente isolado de RF.

• Operação confiável
• Redução da influência de outros equipamentos de teste e medição, bem como de fatores de interferência externos (redução do piso de ruído do sensor, supressão de alvos de curta distância e possíveis reflexões multipercurso)
• Nenhum modo de bancada de teste é necessário para o radar

Solução escalável

Vários front-ends podem ser combinados para simular até 360° do ambiente do radar:

• Altamente flexível e pronto para expansão
• O campo de visão (FOV) ^¹ do radar de vários sensores pode ser simulado por um ou vários front-ends
• Uso autônomo ou como uma solução integrada com o gerador de eco de radares automotivos R&S®AREG800A

Imune à vibração: perfeitamente ajustado para montagem em teste de veículo no circuito

• Quantidade reduzida de conexões de RF
• Confiável devido à robustez do design no que diz respeito à vibração
• Adequado para bancadas de teste

^{¹ Campo de visão.}

Casos de uso

A instalação modular do R&S®QAT100 pode ser utilizada em várias aplicações diferentes para simulações de alvos de radar.

Testes funcionais ou de componentes

Os testes começam com casos de uso muito simples, como testes de componentes para um sensor de radar único. Para testar se um sensor de radar detecta corretamente um eco e se ele distingue entre dois alvos a uma determinada distância ou a um determinado ângulo, bem como para testar a resolução angular do seu sensor de radar.

Testes em cenários

Os casos de usos secundários incluem testes em cenários, como cenários de trânsito com vários carros, sistemas de frenagem de emergência ou controle de navegação adaptativo. O objetivo é simular alvos em movimento no que diz respeito a azimute, distância, velocidade radial e tamanho do alvo. Dependendo do cenário, um ou vários sensores podem ser simulados.

O R&S®QAT100 tem versatilidade e capacidade para suportar todo o processo ao longo da cadeia de sensores de radar.

Começando com o R&S®QAT100 como dispositivo autônomo para avaliação de desempenho de sensores de radar em estágios iniciais, com instalações clássicas de bancada para aplicações de hardware no circuito e veículo no circuito (com simulador de alvo como back-end) no nível do módulo do sensor de radar ao adaptar um sensor às especificações do fabricante do equipamento de origem (fig. 6).

Front-end SIMO

O front-end padrão R&S®QAT-B11 possui 96 antenas de transmissão e 5 de recepção, divididas em 4 segmentos independentes. A configuração atende aos requisitos de sensores SIMO. O R&S®QAT100 pode ser operado no modo por linhas ou no modo por segmentos, conforme necessário. O modo por segmentos divide cada linha em quatro segmentos, onde cada um possui um conector de RF individual e pode simular até quatro alvos de diferentes direções. O R&S®QAT-B11 pode vir com uma linha receptora/transmissora adicional (R&S®QAT-B2) para adicionar outras 96 antenas de transmissão e 5 de recepção para simular até 8 alvos de diferentes direções ou dois objetos por todo o conjunto de antenas.

Front-end MIMO

O desvio maior entre as antenas receptoras e transmissoras indica que o R&S®QAT-B11 não atende totalmente aos requisitos MIMO, pois ele pode ser desviado em diferentes ângulos. O front-end MIMO de linha única R&S®QAT-B21 possui uma linha de antenas de recepção e uma linha de antenas de transmissão. Cada antena de transmissão é emparelhada com uma antena de recepção para atender aos requisitos MIMO. As 96 antenas de recepção e 96 antenas de transmissão agora estão disponíveis para minimizar os erros de fase e permitir uma fácil validação de radares MIMO com resolução de eco espacial aprimorada em três dimensões.

Configuração de medição

Definição de distância física do sensor ao R&S®QAT100

As antenas individuais estão separadas por uma distância de 3,7 mm e a largura total da unidade é de 351 mm. A configuração pode ser adaptada ao sensor. O R&S®QAT100 foi projetado para a potência típica de transmissão de radares de sistemas avançados de assistência ao motorista.

O campo de visão (FOV) e a resolução angular alcançável para o R&S®QAT100 são baseados na configuração e calculados da seguinte forma:

Os valores de FOV e da resolução angular resultam da variação das distâncias

Dependendo da distância e da faixa de frequência, os seguintes valores se aplicam:

Minimização de interferência externa

Para minimizar a influência de interferências externas, um sistema de blindagem eletromagnética adicional fornece um ambiente de RF praticamente livre de interferências, perfeitamente adequado ao R&S®QAT100. O sistema de blindagem eletromagnética pode ser utilizado em bancadas de laboratórios ou em bancadas de teste de veículos. A blindagem eletromagnética fornece um ambiente multipercurso e livre de reflexões para o radar em teste. Quando combinadas com o R&S®QAT100, as pequenas antenas patch com uma superfície coberta por um amortecedor fornecem um front-end de RF limpo e suprimem os alvos de curta distância, bem como possíveis reflexões multipercurso (veja a fig. 10).

Instalação de instrumentos e conexão a um gerador de eco de radar

A quantidade e os tipos de conexões a um gerador de eco de radar dependem da complexidade da configuração para testes. A complexidade da configuração depende da quantidade de objetos de radar simulados, da quantidade de conjuntos de antenas avançadas R&S®QAT100 ou da quantidade de antenas receptoras (as antenas receptoras sempre recebem, mas só podem emitir sinal quando conectadas a um back-end).

Conforme a quantidade de segmentos de antena controlados individualmente, um gerador de eco de radar deve ter uma determinada quantidade de entradas:

• Conectar o R&S®QAT a uma LAN
• Conecte os conectores transmissores à "TX IF Out" (saída de frequência intermediária do transmissor) para o gerador de eco do radar. Os conectores transmissores podem ser utilizados de duas formas:

Para sincronizar as frequências de referência, conecte a referência de frequência (entrada ou saída) ao gerador de eco do radar.

Quando equipado com a segunda linha R&S®QAT-B2 de 96 antenas de transmissão, o R&S®QAT100 tem duas linhas com quatro segmentos independentes cada, o que permite que um único instrumento se conecte a oito caminhos de frequência intermediária controláveis individualmente. Isso combina perfeitamente com os oito objetos artificiais completamente independentes simulados por um gerador de eco de radar automotivo R&S®AREG800A totalmente equipado. Cada caminho de frequência intermediária pode ser direcionado livremente dentro de um segmento do R&S®QAT100.

Para simular alvos a uma distância mais curta, o R&S®QAT100 pode ser equipado com uma linha de atraso escalonada analógica (ASDL) para reduzir a linha de atraso mínimo. Esta linha pode simular objetos de radar a distâncias muito curtas (entre 1,8 m e 12,9 m), que são desafiadoras para geradores de eco de radar. Ele também permite o uso autônomo do R&S®QAT100. Para testar a resolução angular do seu sensor de radar, este sensor distingue entre dois alvos a uma determinada distância ou a um determinado ângulo.

Em combinação com um simulador de alvo, o R&S®AREG800A pode simular alvos em movimento.

Resumo

Os sistemas autônomos de assistência ao motorista precisam urgentemente de dados confiáveis e de alta qualidade de vários sensores de radar capazes de detectar objetos no ambiente. As empresas e os fornecedores automotivos sabem como pode ser complicado testar esses sensores em cenários de direção autônoma.

O R&S®QAT100 é o primeiro conjunto de antenas totalmente controlável eletronicamente que estimula sensores radares automotivos na faixa entre 76 GHz e 81 GHz. O conceito modular do R&S®QAT100 permite que os fabricantes de equipamentos de origem e parceiros do setor automotivo se concentrem no desenvolvimento e nos testes de sistemas avançados de assistência ao motorista.

Os fabricantes de equipamentos de origem de arquitetura aberta permitem que os fornecedores e os prestadores de serviços integrem facilmente a plataforma R&S®QAT100 à modelagem 3D comercial, aos sistemas de hardware no circuito e aos ambientes de teste e simulação existentes. É possível realizar testes mais rápidos de sensores radares automotivos em toda a cadeia de valor, desde a validação simples de componentes funcionais até os testes em cenários altamente complexos com diversos alvos.

Benefícios resumidos

• Nenhum movimento mecânico, imune à vibração e resulta em medições precisas e reprodutíveis
  As antenas de transmissão comutáveis no R&S®QAT100 garantem alta resolução, alta velocidade e alta reprodutibilidade. A comutação eletrônica da antena não gera desgaste nos cabos de RF ou em outras partes móveis. Os 4 GHz de largura de banda instantânea são compatíveis com sensores radares automotivos avançados na faixa de frequências entre 76 GHz e 81 GHz.
• Compatível com cenários avançados e solução escalável
  O espaço de apenas 3,7 mm entre as antenas garante alta resolução angular para simulação realista de cenários de radar complexos. Várias unidades do R&S®QAT100 podem ser combinadas para aumentar o campo de visão. Um simulador de alvo para cenários complexos de sistemas avançados de assistência ao motorista garante a sincronização de todos os conjuntos de antenas do R&S®QAT100 em conjuntos de antenas avançadas de vários instrumentos.
• Ambiente com blindagem eletromagnética, reflexões reduzidas e efeitos multipercurso
  O sistema de blindagem eletromagnética R&S®QAT-Z50 e o trio de blindagem eletromagnética R&S®QAT-Z53 garantem um ambiente de RF praticamente livre de interferências, ideal para o R&S®QAT100. As pequenas antenas patch com superfície coberta por um amortecedor fornecem um front-end de RF limpo com RCS muito baixa para reduzir o piso de ruído do sensor e suprimir alvos de curta distância e possíveis reflexões multipercurso
• Realização de testes funcionais rapidamente no modo autônomo
  Uma linha de atraso escalonada analógica (ASDL) do R&S®QAT-B5 permite que o R&S®QAT100 seja operado no modo autônomo. Nesse modo, o R&S®QAT100 pode simular ecos de curta distância dentro da faixa de atraso para testes funcionais rápidos e que economizem espaço.