Milimetre-dalga otomotiv radar antenleri
Millimeter-wave automotive radar antennas
Yazar: NEŞEM KESKİN
Danışman: PROF. DR. NURHAN TÜRKER TOKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik-Haberleşme Eğitimi Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anten = Antenna ; Dielektrikler = Dielectrics ; Metamalzemeler = Metamaterials ; Radar sistemleri = Radar systems

Özet:
Günümüz teknolojisinde otomotiv radar antenleri milimetre-dalga frekans bantlarına taşınmıştır. 76-81 GHz frekans aralığı kısa mesafe ve uzun mesafe radar sistemlerinde çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmalar ile otonom seyir kontrol sistemi, yaya tanıma ve çarpışma önleme uygulamalarında çeşitli anten çözümleri sunulmaktadır.
Bu tez çalışmasında merkez frekansı 79 GHz'de olan 4 GHz bant genişliğine sahip kısa ve uzun mesafe radar antenleri tasarlanmıştır. Antenlerin düşük kayıplı hüzme tarama kabiliyetine sahip, görüş açısı yaklaşık 60° ve 23 dB'yi aşan kazanç seviyelerine sahip olması hedeflenmiştir. Üretim kabiliyetleri göz önünde bulundurularak, yeni anten mimarileri için prototip geliştirme süreçleri ve imalat tekniklerinden detaylı bir şekilde bahsedilmektedir.
Bu amaçla otomotiv radarları için dairesel polarizasyonlu entegre ikili lens anten, düzlemsel lens dizisi ve EPS/ENZ metamalzeme içeren horn antenler üzerine çalışılmıştır. Otomotiv radar sensörleri için geniş bantlı, dairesel polarizasyonlu, hüzme tarama kabiliyetine sahip ikili lens odaklama sisteminde karşılaştırma için GO/PO metodu ile çözümleme ve CST benzetimleri kullanılmıştır. Uzatılmış yarıküresel ve plano küresel lens anten yapısına silindirik yapıda bölmeler eklenerek, anten dairesel polarizasyona çevrilmiş ve antenin hüzme tarama kaybı ve eksensel oranının değişimi farklı hüzme tarama açıları için incelenmiştir. Dairesel polarizasyonlu entegre ikili lens anten yapısı 3B yazıcı ile üretilerek test edilmiştir. Otomotiv radar antenleri için önerilen bir diğer anten, düzlemsel yanal anten dizisidir.
Tezde önerilen bir diğer otomotiv anteninde metamalzeme kullanılarak otomotiv radar bandında kazancın iyileştirilmesi sağlanmıştır. Kazancı arttırmak için basit, düşük maliyetli, eklemeli imalat teknolojisiyle üretime uygun metamalzeme lens kullanılmıştır. EPS/ENZ bölgelere sahip üç katmanlı metalik ızgaranın horn antenin açıklığına uygulanmasıyla kazançta tüm bant boyunca artış gözlenmiştir. Dalga boyu cinsinden boyutu yarı yarıya küçülen metamalzemeli piramit horn anten yapısı SLS ve FDM yöntemi ile 3B yazıcıda üretilerek test sonuçları ile benzetim sonuçları karşılaştırılmıştır.

Abstract:
In today's technology, automotive radar antennas have been moved to millimeter-wave frequency bands. There are recent works in 76-81 GHz frequency range in SRR and LRR systems. With these studies, various antenna solutions are offered in ACC system, pedestrian detection and CA applications.
In this thesis, SRR and LRR antennas with a central frequency of 79 GHz and a bandwidth of 4 GHz were designed. It is aimed that the antennas have low beam scanning loss, approximatly 60° angle of view and gain levels exceeding 23 dB. Prototype development processes and manufacturing techniques for new antenna architectures are discussed in detail, taking into account their production capabilities.
For this purpose, circular polarization (CP) integrated double lens (DL) antenna, planar lens array and horn antennas containing EPS/ENZ metamaterial for automotive radars have been studied. GO/PO method analysis and CST simulations are used for comparison of wideband CP DL focusing system with beam scanning capability for radar sensors. By adding elongated cylindrical sections to the plano-spherical lens, the antenna is converted to CP. Variation of the antenna's beam scanning capability and axial ratio are investigated for different extations. The integrated CP DL antenna structure has been fabricated and measured. Lateral antenna array is also exibited in this thesis as a planar lens antenna for automotive radars.
Besides, the gain of the automotive radar antenna is improved by using metamaterials. A simple, low cost, metamaterial lens suitable for production with AMT is proposed. By applying the three-layer metallic grating with EPS/ENZ regions to the aperture of the horn antenna, 3dB increase in gain is observed. The metamaterial pyramid horn antenna, whose size is reduced by half in terms of wavelength, was produced by SLS and FDM method on a 3D printer.