FocusonPCB - Vicenza, 15-16 maggio 2024
Torna a Vicenza il 15 e 16 maggio 2024 Focus on PCB, la terza edizione della fiera dedicata all'intera filiera dei circuiti stampati. Nata dalla volontà del Gruppo PCB Assodel…
I veicoli autonomi vedono il mondo attraverso sensori. Il corretto funzionamento dell'intero sistema di guida è legato alla loro affidabilità.
Ma la capacità di un sensore radar di garantire le prestazioni richieste dipende, in gran parte, dalle sue condizioni di installazione.
Un nuovo tipo di tester fornisce tutte le informazioni che servono per valutare le caratteristiche reali dei sensori.
I sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) che aiutano i guidatori e migliorano la sicurezza sulle strade sono ormai disponibili anche per i veicoli più economici e si stanno diffondendo sempre più nel settore automobilistico. I veicoli a guida completamente autonoma (compresi i veicoli di test) fanno spesso notizia, specialmente quando vengono coinvolti in un incidente.
Si tratta di sistemi estremamente complessi, che sono ancora lontani dall'essere pronti per la produzione in grande serie, ma certamente lo saranno in un prossimo futuro.
I sensori che rilevano gli oggetti situati nelle vicinanze sono dei componenti essenziali di un veicolo a guida autonoma. I sensori utilizzati comprendono telecamere, lidar e, soprattutto, sensori radar. Ogni anno vengono fabbricati milioni di sensori radar.
Si tratta di componenti montati ormai di serie nei veicoli di fascia alta. Attualmente i sensori radar automobilistici vengono prevalentemente utilizzati per migliorare il comfort di guida e prevenire gli incidenti.
La maggior parte dei sensori radar utilizzati per il cruise control adattativo funzionano nella banda di frequenze comprese tra 76 GHz e 77 GHz (larghezza di banda d 1 GHz) per rilevare la presenza di veicoli o altri oggetti a notevole distanza.
Le funzioni avanzate di assistenza alla guida, specialmente quelle che devono rilevare la presenza di oggetti nelle vicinanze – come gli assistenti al cambio corsia o il rilevamento dei punti ciechi – richiedono l'utilizzo di segnali con una maggiore larghezza di banda, per garantire l'elevata risoluzione necessaria. Tali sensori lavorano nella banda di frequenze tra 77 GHz e 81 GHz.
Inoltre, l'estensione delle banda di frequenza allocata ai radar automobilistici fino a 81 GHz aiuta a mitigare le interferenze radioelettriche.
Per ragioni che hanno più a che fare con l'estetica che con la funzionalità, i radar automobilistici vengono inseriti in una struttura protettiva a cupola, detta radome (contrazione di 'radar dome'), realizzata in materiali trasparenti ai segnali RF.
L'emblema della casa automobilistica piazzato sulla griglia frontale del cofano viene spesso usato a questo scopo, ma anche i paraurti plastici sono un buon posto per nascondere i sensori radar.
In passato, gli emblemi avevano il solo scopo di promuovere il marchio del produttore di automobili. Tuttavia, il loro utilizzo come involucro del radar li ha resi simili a dei componenti RF. Se questa loro nuova funzione non viene adeguatamente considerata durante il progetto, può avere dei seri effetti collaterali negativi sulle prestazioni in termini di capacità di rilevamento e accuratezza dei radar montati dietro gli emblemi.
In particolare, la forma tridimensionale dell'emblema del marchio e la variazione locale dello spessore del materiale può causare problemi alle prestazioni RF durante il funzionamento del radar nella banda delle onde millimetriche. I paraurti vengono tipicamente rivestiti con una vernice metallica, che attenua le frequenze elevate.
Per garantire l'affidabilità del radar, è pertanto necessario validare le caratteristiche del materiale dei radome ed esaminarne l'influenza sui segnali radar. Le incertezze e i rischi sul funzionamento dei sensori radar sono inaccettabili per la guida autonoma, in quanto ogni errore che dovesse insorgere in questa fase non potrà essere adeguatamente corretto con le elaborazioni successive.
Di conseguenza, i costruttori di autoveicoli e i loro fornitori hanno bisogno di nuove funzionalità di misura per validare la conformità dei radome ai segnali radar.
I sensori radar automobilistici utilizzano principalmente segnali a onda continua modulati in frequenza (FMCW). Valutando il ritardo di propagazione e la variazione di frequenza dovuta all'effetto Doppler, i sensori riescono a misurare e a discriminare la distanza e la velocità radiale di più bersagli.
A seconda delle proprietà delle schiere di antenne utilizzate, è anche possibile misurare e discriminare l'azimut, e persino l'angolo di elevazione, dei vari bersagli. Dopo il rilevamento e il tracking, l'elettronica del sensore elabora il segnale per ricavare una lista di bersagli che contiene le posizioni e le velocità misurate per ogni oggetto, che viene classificato in base alla sua tipologia (pedone, auto, etc.).
Questa lista viene inviata alla centralina elettronica del veicolo dove viene utilizzata per prendere decisioni in tempo reale sulla guida del veicolo stesso. L'accuratezza e l'affidabilità di questi dati sono estremamente importanti per la sicurezza del veicolo e dei passeggeri.
L'accuratezza del radar dipende da molti fattori, come i componenti hardware, il software di elaborazione dei segnali e lo stesso eco radar. I parametri degli echi radar con un basso rapporto segnale/rumore (SNR) non possono essere misurati così accuratamente come quelli di segnali ad elevato SNR.
Inoltre, effetti come la propagazione multicammino e la distorsione dovuta ai radome possono impattare notevolmente sull'accuratezza della misura.
Fig. 1: La posizione dei bersagli viene rilevata erroneamente a causa di misure di azimut non corrette. Il sistema di controllo del veicolo a guida autonoma potrebbe reagire con una manovra fatale.Una misura poco accurata dell'azimuth fa apparire il bersaglio in un posto diverso dalla sua collocazione reale. Il fenomeno è illustrato nella Figura 1.
Un errore dell'angolo misurato dal sensore radar di appena 1° causerebbe un'errore di stima della posizione di un bersaglio che si trova a 100 m dall'auto tale da farlo apparire spostato lateralmente di 1,75 m. Questo apparente spostamento laterale potrebbe far interpretare il bersaglio come situato in una corsia differente rispetto a quella percorsa dal veicolo.
Per garantire un funzionamento affidabile, l'errore delle misure angolari a tale distanze deve essere notevolmente inferiore a 1°.
Fig. 2: Influenza di differenti radome sulla sezione radar (RCS) e l'angolo di incidenza. Radome non adatti posso causare errori nelle misure degli angoli.La Fig. 2 mostra gli effetti di spostamento in azimut basati sulle misure effettuate su componenti automobilistici reali. Ad un sensore radar commerciale è stato mostrato un bersaglio statico situato ad una distanza di 12,4 m con un angolo di 11,5°. Il grafico mostra come differenti radome influenzano la sezione radar (RCS) e l'angolo di incidenza.
I valori in blu (senza radome) sono riportati come riferimento per confronto. Come si può osservare, non vi sono effetti sulla stima dell'angolo di incidenza quando si utilizza un radome adatto (rosso). Tuttavia, la sezione radar viene ridotta dall'attenuazione nei due sensi di attraversamento del segnale (in questo circa 2 dB). Se si utilizza un radome non adatto (arancio), la sezione radar media diminuisce di circa 4 dB rispetto alla misura di riferimento, rendendo potenzialmente impossibile il rilevamento di bersagli poco riflettenti.
L'effetto di un radome poco adatto si nota anche nel rilevamento dell'angolo di incidenza. Non viene più visto come constante di 11.5°, ma invece come valore che salta tra 11.5° e 11.7°, impedendo all'elettronica di elaborazione del segnale di ricavare un risultato non ambiguo. Con questo radome, i radar automobilistici non riescono a soddisfare il requisito di accuratezza di 0,1°.
Un moderno sensore radar con una schiera di antenne collegata allo stadio d'ingresso del ricevitore determina l'azimuth (e talvolta anche l'angolo di elevazione) misurando i rapporti di fase e ampiezza ottenuti tramite la tecnica del beamforming (orientamento elettronico del diagramma di irradiazione) applicata a una schiera di antenne a controllo di fase (phased array).
Per ottenere un'accuratezza ottimale delle misure di azimuth, ciascun sensore radar va calibrato singolarmente. Tipicamente si segue la procedura seguente per calibrare il radar. Si inizia montando il sensore su una tavola rotante posta in una camera anecoica. Un riflettore radar (corner reflector) posto a una distanza nota in condizioni di campo lontano viene spesso utilizzato come bersaglio di riferimento.
Il pattern radar viene poi misurato e registrato nella memoria del sensore. Queste informazioni vengono successivamente utilizzate dall'algoritmo di rilevamento. Le correzioni vengono calcolate durante la fase di elaborazione del segnale nel corso del funzionamento.
Il costruttore del veicolo monta i sensori radar calibrati sull'auto, spesso dietro l'emblema del marchio o il paraurti. La perdita di trasmissione a radiofrequenza dovuta al materiale attenua il segnale due volte, in quanto il radome viene attraversato nel percorso dal radar al bersaglio e viceversa. Ciò riduce la portata di rilevamento del radar, come si può vedere nella seguente analisi.
Secondo la legge di propagazione del segnale, la potenza di un segnale trasmesso è inversamente proporzionale al quadrato dalla portata r, il che significa che viene ridotta di un fattore 1/r4 nel percorso di andata e ritorno.
Per un radar a 77 GHz con una potenza di uscita di 3 W, un guadagno di antenna di 25 dBi, un bersaglio con un sezione radar di 10 m² e una soglia di rilevamento del segnale di −90 dBm, la portata massima in questa configurazione sarebbe di 109,4 m usando questa equazione. Se l'attenuazione nei due sensi di attraversamento del radome è di 3 dB, la portata dello stesso radar si riduce del 16% a soli 92,1 m.
Ma l'attenuazione introdotta dal materiale non è il solo fattore che influisce sulle prestazioni del radar. La riflettività e l'uniformità del materiale del radome sono anch'esse importanti.
Le riflessioni, ad esempio dovute alle particelle metalliche della vernice, e il disadattamento RF del materiale di base, possono generare segnali interferenti all'interno del radome, in particolare in prossimità del sensore. Questi segnali interferenti vengono ricevuti e convertiti in frequenza verso il basso nella catena di ricezione, riducendo la sensibilità di rilevamento del radar.
Molti costruttori di veicoli cercano di mitigare questo effetto inclinando il radome, così che il segnale radar venga riflesso lontano dello stadio d'ingresso del ricevitore. Tale soluzione è naturalmente soggetta a vincoli progettuali e non elimina le riflessioni parassite che causano le perdite di energia a radiofrequenza.
Un altro problema sono le disomogeneità del materiale, come la presenza di inclusioni o variazioni di densità, che disturbano il fronte d'onda uscente ed entrante del sensore. Tali distorsioni portano a una misura meno accurata dell'angolo. La sola calibrazione del sensore radar non può compensare integralmente questi effetti, perché il radar calibrato potrebbe essere montato dietro dei radome realizzati da fornitori diversi.
I costruttori di radome tipicamente utilizzano un radar campione di riferimento (golden device) per collaudare i loro prodotti.
Fig. 3: Tipica configurazione di prova con dispositivo campione.Per effettuare questi test, di fronte al sensore radar vengono montati dei riflettori radar posti a distanze e angoli di azimuth predefiniti (Fig. 3). Vengono effettuate delle misure differenziali, con e senza radome, che vengono poi comparate.
Il radome supera il collaudo se le distanze e gli angoli di azimuth determinati dal radar e i livelli del segnale di eco radar rientrano nei limiti di tolleranza delle specifiche. Tuttavia, questo metodo verifica solamente le prestazioni ottenute con specifici angoli di azimuth, ed è quindi facile che eventuali problemi presenti in altre aree del radome non vengano rilevati.
Un altro metodo di misura funziona in modo simile, ma necessita di un solo riflettore. Con questo metodo, il sensore radar e il radome vengono montati su una tavola rotante e le misure vengono ripetute a diversi angoli. L'angolo reale, che può essere letto sulla tavola rotante (angolo misurato a terra), e l'angolo misurato dal sensore radar vengono confrontati. Questo metodo è tanto accurato quanto l'accuratezza di posizionamento della tavola. Tuttavia, questo test richiede molto tempo e non è quindi realisticamente utilizzabile per il collaudo in produzione.
Fig. 4: Il tester di qualità dei radome automobilistici R&S®QAR . Il dispositivo in prova viene montato sul bordo frontale del tavolo. L'unità blu presente sul tavolo contiene il trasmettitore a onde millimetriche opzionale per effettuare le misure di trasmittanza.Il tester di qualità dei radome automobilistici R&S QAR (Fig. 4) permette di superare le limitazioni dei metodi di collaudo tradizionali.
Anziché un campione di riferimento con una piccola schiera di antenne, utilizza un grande pannello contenente diverse centinaia di antenne ricetrasmittenti funzionanti sulla banda di frequenza radar estesa per le applicazioni automobilistiche compresa tra 75 GHz e 82 GHz.
ll tester ”vede” quello che un radar automobilistico vedrebbe se avesse anch'esso centinaia di antenne. Ma grazie alla grande apertura, misura distanza, azimuth ed elevazione con una risoluzione molto più alta (dell'ordine dei millimetri).
Questa sua elevata risoluzione permette di visualizzare i risultati di misura (ad esempio di riflettività) come fossero un'immagine a raggi X, dando la possibilità di valutare immediatamente la qualità del radome anche da parte di operatori con poco esperienza nella attività di misura e collaudo.
A differenza delle prove effettuate con radar reali, in questo caso non sono necessarie sequenze di misura dispendiose in termini di tempo per determinare le proprietà del radome – il tester R&SQAR ottiene i risultati della prova in un solo passaggio, in modo simile allo scattare una fotografia con un fotocamera.
Il radome in prova viene posto in una determinata zona di fronte al pannello. È possibile eseguire due misure – una per determinare la riflettività del dispositivo in prova, l'altra per determinare la sua trasmittanza.
Inizialmente si effettua la misura di riflettività, per determinare quanta energia viene riflessa dal materiale del radome. Questa è l'energia che non passa attraverso il radome. È quella che degrada la prestazioni del radar o persino, come descritto in precedenza, ne impedisce il corretto funzionamento.
Certe zone possono avere una riflettività maggiore per varie ragioni, ad esempio presenza di difetti nel materiale, inclusioni, interazioni indesiderate tra diversi strati del materiale o eccesso di un determinato componente del materiale. Il metodo di misura garantisce un'elevata risoluzione spaziale, grazie al collegamento coerente di tutti i segnali riflessi secondo la loro ampiezza e fase. La visualizzazioni dei risultati permette di valutare in modo intuitivo e quantitativo il comportamento riflettivo del dispositivo in prova.
Fig. 5: Radome dimostrativo con il logo Rohde & Schwarz che sporge di soli 0,5 mm della superficie del radome. Anche solo questo piccolo aumento di spessore crea un disadattamento a 77 GHz (Fig. 6).A scopo dimostrativo, è stato realizzato un radome contenente il logo Rohde & Schwarz fresato con differenti spessori (Fig. 5).
L'immagine radar ad alta risoluzione della Fig. 6 mostra cosa vedrebbe un sensore radar coperto da questo radome. I livelli di luminosità rappresentano i valori di riflettività. Più una zona è luminosa, più riflette il segnale radar.
Gli oggetti metallici appaiono bianchi (le viti nei quattro angoli). I contorni ben visibili dei bordi del logo indicano un'elevata zona ad alta riflettività localizzata e un immagine generale non molto uniforme.
Il maggior spessore di 0,5 mm della zona del logo sarebbe abbastanza marcato da degradare considerevolmente le prestazioni del radar una volta sulla strada.
Fig. 6: Immagine a onde millimetriche ad alta risoluzione della riflettività (sinistra) e dell'attenuazione in una direzione (destra). Il riquadro blu nel logo indica la sezione radar del trasmettitore di test o del radar. Questa è l'area considerata nella valutazione.
In questo esempio, la zona centrale del radome dove viene solitamente montato il sensore ha una riflettività media di −11,0 dB con una deviazione standard di −18,2 dB. In molti scenari di utilizzo sarebbe troppo elevata per garantire il funzionamento affidabile del radar. In pratica, la riflettività ammessa dipende dalla sensibilità dell'unità radar e dalla massima portata di rilevamento che deve essere coperta.
Successivamente vengono misurati l'adattamento in frequenza e l'attenuazione del materiale del radome. Un'unità di trasmissione posta dietro il dispositivo in prova (Fig. 4) effettua una scansione su un determinato intervallo di frequenze.
Ciò permette di ricavare accuratamente la risposta in frequenza del radome. La risposta in frequenza offre informazioni dettagliate sull'adattamento a RF tra il dispositivo in prova e l'esatta banda di frequenza in cui è destinato a funzionare il radar. Queste informazioni caratteristiche sono indipendenti dalla forma d'onda che verrà utilizzata dall'unità radar e sono quindi valide per tutti i radar che potranno essere montati dietro il radome.
Il grafico sulla destra della Fig. 6 mostra la misura effettuata sul radome dimostrativo. Vista l'elevata ondulazione della risposta in frequenza tra 76 GHz e 79 GHz, questo radome non sarebbe adatto per i radar funzionanti su tale banda di frequenza.
Fig. 7: Misura di trasmittanza su un radome multistrato commerciale con una complesso design 3D.Una misura di trasmittanza effettuata su un vero radome 3D di un costruttore automobilistico riportata in Fig. 7 mostra un andamento altrettanto altalenante. Questo radome potrebbe causare diversi problemi alle prestazioni del radar:
L'attenuazione complessiva in una direzione è relativamente alta, il che provocherebbe una riduzione percepibile della portata di rilevamento.
La guida autonoma richiede che i radar funzionino in modo affidabile e senza errori per rilevare gli oggetti presenti nelle zone circostanti il veicolo.
Raggiungere questo risultato dipende non solo dalla qualità del radar, ma anche delle sue condizioni di installazione. I radar vengono spesso installati dietro gli emblemi del marchio o i paraurti. Questi componenti della carrozzeria (radome) possono degradare i segnali fino al punto che gli oggetti non vengano più rilevati, oppure che vengano rilevati in posizioni errate.
Oggi questi componenti della carrozzeria non servono più solo per la loro funzione originale, ma devono anche garantire determinate caratteristiche per il passaggio dei segnali a radiofrequenza usati dai radar. Sono necessari metodi di misura accurati e pratici per verificare tali caratteristiche.
Il tester R&S QAR di Rohde & Schwarz offre un metodo molto più semplice e accurato per valutare la qualità dei radome automobilistici rispetto al metodo tradizionale di collaudo basato su dispositivi campione. Il tester R&S QAR misura la trasmittanza RF del dispositivo in prova, dando la possibilità di valutare la bontà del progetto del radome, ed anche la riflettività, che viene visualizzata come un'immagine a raggi X, dando la possibilità anche a personale non esperto di decidere in modo affidabile se il pezzo esaminato passa o non passa il collaudo, specialmente durante i test a fine linea di produzione.
*Steffen Heuel, Tobias Köppel, Andreas Reil e Sherif Ahmed lavorano nella divisione Misura e Collaudo di Rohde & Schwarz
