（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 平成 29 年度 産業利用 成果報告書

利用課題名 自動車搭載ミリ波レーダの超大規模電磁界シミュレーション
英文：Large scale electromagnetic simulation for automotive millimeter wave radar
松沢晋一郎
Shin-ichiro Matsuzawa
株式会社 豊田中央研究所
Toyota Central R&D Labs., Inc.
URL http://www.tytlabs.co.jp/
邦文抄録
車載ミリ波レーダは、前方車などの反射体の相対速度や方位を正確に測定可能という特徴がある。車載ミリ波レーダのフロントガラス背面への搭載を想定し，その主要課題であるフロントガラスの透過損失をシミュレーション評価し、さらにその改善方法を検討した．そのシミュレーションでは、スーパーコンピュータ TSUBAME3.0 を用いて行った。
英文抄録
A millimeter wave radar can measure the relative speed and angle of the target like a front vehicle
precisely. This report shows the transmission loss of the glass in the millimeter frequency when themillimeter wave radar is mounted behind the front glass. We have simulated the radiation patterns of
the antenna by using the TSUBAM, and studied the improvement method.

Keywords: 電磁界シミュレーション、ミリ波レーダ

背景と目的トグリル等による電波散乱も生じやすい。それらは全て近年、自動ブレーキなどの先進運転支援システム測定誤差要因となる為、設計の電磁界シミュレーション（ADAS: Advanced Driver Assistance Systems）の開発に際し、レーダ周辺の車体構造物を忠実にモデル化すが進められている。ミリ波レーダは、ADAS のキーセンサることが望ましい。しかしながら、FI 法によるシミュレーシの一つである。

ョンをするに際しλ0/10 以下でのメッシュ分割が必要と現状の車両前方監視用ミリ波レーダは、一般的になり、総メッシュ数が約 40 億以上と膨大になるため、PC樹脂エンブレムの背面に搭載されている。一方、同じ前ワークステーションでは、計算が困難であった。そこで、方監視用のカメラは、車室内のフロントガラスの背面にスーパーコンピュータ TSUBAME3.0 を用いたシミュレー搭載されている。将来的にミリ波レーダとカメラを一体化ションを行った。

したセンサをフロントガラスの背面に搭載することを検討

図 1 にシミュレーションモデルを示す。ミリ波レーダ

している。ミリ波レーダをフロントガラスの背面に搭載し用の平面アンテナの放射方向にフロントガラスを模擬した場合、フロントガラスの透過損失が大きく、その検出たガラスが置かれている。ガラスの厚みは、一例として、距離が悪化することが事前検討で分かった。そこで、本

t=4.5mm とした。その比誘電率εr および誘電正接 tan

報告では、ミリ波帯におけるガラスの透過損失をシミュレ

δは、それぞれ 6.5、0.015 とした。一般的に車両のフローション評価し、その改善方法を検討した。

ントガラスは、2 層ガラスの間に中間膜が挿入されているが、本報告書では、初期検討として単層で検討した。ミ

概要

リ波の平面アンテナとガラスの距離は、一例として、ミリ波レーダは、77GHz の高周波電磁波により、自動車と対象物の相対距離・相対速度・角度を高精度に測定可能である。一方、その波長λ0 は約 4 ミリと短い為、周辺の構造物、例えば車体フレーム、バンパー、フロンD=100mm とした。

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図 2 に平面アンテナのモデルを示す。1×9 列のマイクロストリップアレーアンテナとし、各素子を仮想的にワイヤで給電するモデルとした。各素子の形状およびワイヤの給電位置は、45°偏波を発生するように設定し、その給電電圧は、垂直方向のサイドローブレベルが-20dB 以下となるように、テーパをつけた。アンテナ基板
は、縦 30mm、横 50mm のフッ素樹脂基板とした。実際のレーダでは、本アレーを一つのサブアレーとして、水平方向に複数並べられているが、本解析では、基板の中央にあるアレーアンテナのみの特性を評価した。
(a) 断面図図 2 平面アンテナのモデル

ガラスの損失の主要因は空気とガラスの間の比誘電率の差による反射であるため、その反射を抑える方法として、ガラスの裏面に空気とガラスの中間の比誘電率 3.5の樹脂フィルムを貼る方法を検討した（図 3)。樹脂フィ(b) 上面図(A)

ルムの厚み ts については、事前にフレネル係数による

図 1 シミュレーションモデル解析で最適値を求め、ts=0.48mm としてアンテナの指向性を考慮して評価した。電磁界シミュレーションは、CST

現状のミリ波レーダでは、76～77GHz の周波数が用い社の Microwave Studio Ver.2017 により行い、手法は FIられているが、次世代レーダとして、高分解能化のため（有限積分法）法である。の広帯域レーダが検討されている。その周波数は、77～81GHz であるため、それらを含む 76～81GHz をシミュレーションの対象とした。ガラスの傾斜角度θ g は、45°、方位の検出角度範囲は、-45°～+45°とした。
ガラスの内部のメッシュサイズは 0.16mm 以下とする必要があり、実際の車両のガラスのサイズでのシミュレーションは計算負荷が高すぎるため、困難である。そこ
で、水平検出角度±65°、垂直検出角度±30°の範囲にガラスが存在するように、その幅 W、高さ H を決定し、W=500mm､H=150mm とした。

図 3 ガラスの低損失化の方法

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結果および考察

周波数が低いほど、損失が大きくなる傾向となった。

平面アンテナ単体と前面にガラスを設置した場合の指向性を評価した。図 4(a)および(b)に 76.5GHz におけ

図 6(a)および(b)に、低損失化のため樹脂フィルムの有無と透過損失の関係を示す。

る平面アンテナ単体とガラスを設置した場合の水平面および垂直面の指向性の比較を示す。

図 5 θ（水平面）および周波数と透過損失の関係(a) 水平(zx 面)(a) θ=0°(b) 垂直面(yz 面)
図 4 平面アンテナ単体とガラスを設置した場合の指向性の比較

縦軸は、平面アンテナ単体の利得のピーク値で規格化した相対値（dB 値）である。水平面指向性では、ガラスを設置した場合、左右非対称の指向性となり振幅が低(b) θ=45°下していることが分かる。これは、平面アンテナの偏波が 45°傾いているために、水平面内においてθが正の

図 6 フィルムの有無と透過損失の関係

時と負の時で、ガラス面への入射偏波が異なるため、非対称となったと考えられる。また、垂直面指向性の結果(a)は正面であるθ=0°および(b)は水平面の検出範囲から、ガラスを設置した場合に-90°方向に強い反射波内で損失の高いθ=45°の場合の結果である。θ=45°が発生していることが分かる。の場合に、フィルムを貼ることでの損失低減効果が顕著

図 5 に周波数をパラメータとした水平面でのθに対であった。

する透過損失の関係を示す。透過損失は、図 4(a)に示

最後に計算時間について述べる。本モデルのメッしたガラスを設置した振幅の平面アンテナ単体の振幅シュ数は 38 億メッシュであり、その CPU タイムは 78 分（8から の 差分 と し て 定 義さ れ る 。 検 出範 囲 内 で は 、 θノード）であった。TSUBAME2.5 では、15 億メッシュのモ=45°方向の損失が大きく、最大 6.5dB となった。また、

デルで CPU タイムが 7 時間 11 分（12 ノード）であり、大（様式 20）成果報告書
幅な高速化を確認した。

まとめ、今後の課題
ミリ波レーダをフロントガラス背面への搭載を想定し、その主要課題であるフロントガラスの透過損失を、電磁界シミュレーションで評価し、その改善方法について検討した。
シミュレーションの結果、対策をしていないガラスを設置した場合では、アンテナの水平面指向性が非対称となり、損失が最大 6.5dB と大きいことが明らかになった。
その改善方法として、反射防止用の樹脂フィルムを貼る方法を提案し、その効果を確認した。