77 Ghz Radar Sistemleri için Mikroşerit Anten Tasarımı ve Analizi

Abstract

Bu tez, 77 GHz otomobil radarı için seri beslemeli mikroşerit yama dizi antenin tasarımı ve operasyonel davranışına yönelik kapsamlı araştırmasını takdim etmektedir. Öncelikli olarak, mikroşerit anten, yama dizi anten, frekans taramalı dizi anten ve Chebyshev dizi anten teorisi hakkında teorik altyapı bilgisi temin edilmiştir. Antenleri tasarlamak ve boyutlarını hassas bir şekilde ayarlamak için sonlu eleman metoduna dayalı tam dalga simülasyon aracı kullanılmıştır. İlk aşamada, 76.5 GHz rezonans frekansında çalışan seri beslemeli doğrusal Chebyshev dizi anten bir verici kanalını temsil etmesi üzerine tasarlanmıştır. Kazancı geliştirmek için toprak-sinyal-toprak geçiş yapısında kullanılmak üzere kısa devre pinlerinden yararlanılmıştır. Pinsiz ve pinli tasarımların bant genişliği ve kazanç bakımından karşılaştırmalı analizi yapılmıştır. Son aşamada, 76.5 GHz doğrusal dizi yama anten 79 GHz doğrusal dizi yama antene GSG geçiş yapısı boyutları optimize edilerek ve her bitişik iki yama elemanı arasındaki aralıklandırma ve yama elemanı uzunlukları ölçeklenerek dönüştürülmüştür. Ölçeklendirme yönteminin etkisini değerlendirebilmek adına bu aşamada iki tasarım sunulmuştur. Bu iki dizi yama anten tasarımının operasyonel özelliklerinin ana kulak yönlendirilme açısı, empedans bant genişliği, total kazanç ve yan kulak baskılanması bakımından karşılaştırmalı analizi yapılmıştır.

This thesis presents a comprehensive investigation into the design and operational behavior of series-fed microstrip patch antenna array for the 77 GHz automotive radar. Initially, the theoretical background information on the theory of microstrip antenna, patch antenna array, frequency scanning array and Chebyshev array are provided. A full-wave finite element method-based simulation tool is used to design and slightly tune the dimensions of the antennas as a parametric study. At the first stage, a series fed linear Chebyshev patch array with resonance at 76.5 GHz is designed representing one transmit channel of the antenna. Shorting pins are loaded to transition structure of ground-signal-ground (GSG) padding to enhance the total gain. Comparative analysis between vialess and via loaded cases is conducted in terms of bandwidth and gain. At the last stage, 76.5 GHz linear patch antenna array is converted into a 79 GHz linear patch antenna array by optimizing the GSG padding dimensions, scaling the spacings between each two adjacent array elements and the length of array elements. Two designs are proposed to assess the effect of scaling method at this stage. Comparative analysis in terms of the beam steering angle, the impedance bandwidth, the overall gain and the sidelobe level suppression is conducted between these two designs.