New broadband, low cost and compact MIMO radar frontends

Abstract

En esta disertación industrial, se han abordado una variedad de nuevas ideas.

En el capítulo 2, se expone una breve introducción a la teoría básica de los radares tipo MIMO, así como también conceptos esenciales como FMCW, TDM o la estimación de ángulos.

En el siguiente capítulo, un radar de tipo MIMO es presentado. En el varias tarjetas de circuitos impresos son apiladas, creando de esta forma, una agrupación de antenas de gran ancho de banda bidimensional. Mis trabajo es presentado en este capítulo, así también como las imágenes radar finales. Al final, el incremento de resolución debido a la técnica MIMO se demuestra exitosamente. Una iteración de el prototipo es presentado en el capítulo 4. Este radar sustituye las múltiples tarjetas impresas por una sola, la cual contiene RSPA basadas en cavidades de aire. Este circuito se ha diseñado con dos cadenas de conmutadores independientes, de tal forma que se dos formas de onda podrían ser enviadas de forma simultánea. Por ello, un radar en tiempo real, como por ejemplo un radar OFMD puede ser probado con este hardware. La característica zona vacía de los radares MIMO ha sido ocupada con una segunda funcionalidad. Primero, con antenas espirales para las comunicaciones y después a cámara, la cual mejora la detección, clasificación y el rastreo de objetivos.

El capítulo 5 introduce novedosos componentes de RF, de muy ancho de banda e integrables con tarjetas de circuito impreso como un Divisor Wilkinson y una antena impresa en 3D. Estos componentes han sido diseñado, fabricado y medido de forma satisfactoria. El gran ancho de banda objetivo permite a estos componentes operar para múltiples funciones.

El capítulo 6 introduce nuevos componentes clave de bajas pérdidas como el acoplador Moreno y la antena de guía de ondas ranurada en una nueva y prometedora tecnología. ESIW reduce las pérdidas de las guías de ondas integradas eliminando el dieléctrico interno. Estos componentes han sido diseñados, fabricados y medidos.

Los prototipos producidos son un primer paso antes de un refinamiento final antes de introducir el producto al mercado. Además, se han explorado tecnología más disruptivas para futuros proyectos.

In this industrial dissertation, a variety of new and creative ideas has been adressed.

In Chapter 2, a brief introduction to an existing MIMO radar theory as well as to the neccessary basic concepts of FMCW, TDM and angle estimation has been given.

After that, in Chapter 3 a complete and fully functional MIMO radar has been presented. The sandwich approach enabled to stack PCBs to make up a modular bi-dimensional array of very wideband TSA antennas. My contributions to this radar have been presented in detail as well as the final imaging results, in which the increment of the resolution due to the MIMO technique has succesfully been tested.

A next iteration of the portotype has been introduced in Chapter 4. This radar replaces the multiple stacked PCBs by a single one, which is populated with air-cavity-based RSPAs. This PCB has been designed with two independent switch chains, in such a manner that the two different waveforms can be sent simultaneously. Therefore, a real time radar, as for instance OFMD can be tested with this hardware. The characteristic inoccupied space at the center of a bidimentional MIMO array is filled with a second funtionality. Firstly, spiral antennas for communication have been designed, integrated and tested. Secondly, the spiral antennas have been cut off. In the remaining hole, a camara, which improves the detection, clasification and tracking of targets, has been placed.

Chapter 5 presents new, very broadband (4-40 GHz) and integrable-with-PCBs RF components as a Wilkinson divider and a 3D printed TEM horn antenna. These components have succesfuly been designed, fabricated and tested. The targeted wide frequency range allows the usage of these components for multiple functions.

In Chapter 6 new low losses key components as the Moreno cross-guide coupler and slotted waveguide antenna are presented in a new very promising technology. ESIW reduces the loss of the integrated waveguides (SIW) by removing the inner dielectric, following a very interesting fabrication process. These two components have been, designed, fabricated and measured.

On one hand, the produced prototypes are the first step towards further Airbus refinement before introducing a product to the market. On the other hand, some disruptive technologies and components have been explored in order to keep track of the following advances in terms of innovation.

En aquesta dissertació industrial, s'han abordat una varietat de noves idees.

En el capítol 2, s'exposa una breu introducció a la teoria bàsica dels radars tipus MIMO i conceptes essencials com FMCW, TDM o l'estimació d'angles.

En el següent capítol, un radar de tipus MIMO és presentat. Diverses targetes de circuits impresos són apilades, creant d'aquesta manera, una agrupació d'antenes bidimensional de gran ample de banda. El meu treball és presentat en aquest capítol, així també com les imatges radar finals. Al final, l'increment de resolució a causa de la tècnica MIMO es demostra amb èxit. La següent iteració del prototip és presentada al capítol 4. Aquest radar substitueix les múltiples targetes impreses per una sola, la qual conté RSPA basades en cavitats d'aire. Aquest circuit s'ha dissenyat amb dues cadenes de commutadors independents, de tal manera que dues formes d'ona podrien ser enviades de forma simultània. Per això, un radar en temps real, com per exemple un radar OFMD pot ser provat amb aquest radar. La característica zona buida dels radars MIMO ha estat ocupada amb una segona funcionalitat. Primer, amb antenes espirals per a les comunicacions i després per a càmera, la qual millora la detecció, classificació i el rastreig d'objectius.

El capítol 5 introdueix nous components de RF, de molt ample de banda i integrables amb targetes de circuit imprès com un Divisor Wilkinson i una antena impresa en 3D. Aquests components han estat dissenyats, fabricats i mesurats de forma satisfactòria. El gran ample de banda objectiu permet a aquests components operar per a múltiples funcions.

El capítol 6 introdueix nous components clau de baixes pèrdues com el acoblador Moreno i l'antena de guia d'ones ranurada en una nova i prometedora tecnologia. ESIW redueix les pèrdues de les guies d'ones integrades eliminant el dielèctric intern. Aquests components han estat dissenyats, fabricats i mesurats.

Els prototips produïts són un primer pas abans d'un refinament final abans d'introduir el producte al mercat. A més, s'han explorat tecnologia més disruptives per a futurs projectes.