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Retroreflector and Multibeam Antenna for a Millimeter Wave Collision Avoidance System

Ahmed Bilal Numan

PhD thesis (2018)

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Cite this document: Numan, A. B. (2018). Retroreflector and Multibeam Antenna for a Millimeter Wave Collision Avoidance System (PhD thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/3035/
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Abstract

RÉSUMÉ La section efficace du radar (SER) pour des cibles automobiles a une réponse angulaire étroite. Une variation de plusieurs décibels par mètre carré (dBsm) peut également être observée avec un léger changement de l’orientation de la cible. La localisation de telles cibles est difficile pour un radar automobile. En outre, un matériel complexe est généralement nécessaire pour mettre en oeuvre un radar efficace, ce qui se traduit par des systèmes coûteux qui ne sont abordables que dans les véhicules haut de gamme. Cela défie l’objet d’un système de sécurité pour éviter les accidents de la route à grande échelle. Cette thèse présente une nouvelle balise d’amélioration de SER et une antenne multifaisceaux pour des applications de radar automobile. Ces composants peuvent éventuellement améliorer les performances d’un algorithme de super-résolution, et permettre le développement d’un radar d’évitement de collision automobile simple et peu coûteux. Une architecture de système simple et rentable est particulièrement importante dans la gamme de fréquences d’ondes millimétriques, allouée pour cette application, où les atténuations du signal et les coûts de dispositif sont significativement élevés. Les structures proposées dans cette thèse peuvent également trouver des applications dans d’autres applications en ondes millimétriques. Un système radar est analysé en étudiant les propriétés de l’algorithme de super-résolution bien connu ESPRIT. Sur la base d’une simulation numérique MATLAB de cet algorithme, il est établi qu’une SER stable est importante pour l’utilisation de cet algorithme dans des applications automobiles. Ceci peut être réalisé en équipant la cible d’un marqueur d’amélioration de la SER. Deuxièmement, dans cet algorithme, la taille du réseau de récepteurs détermine le nombre de cibles détectables. En sectorisant le CdV du radar en utilisant une antenne multifaisceaux, l’erreur de localisation angulaire peut être réduite pour un plus grand nombre de cibles. La balise proposée est conçue à 77 GHz, fonctionnant dans la bande attribuée au radar automobile (76 GHz à 81 GHz). Les caractéristiques des radars automobiles dans la littérature suggèrent un CdV en forme de faisceau en éventail pour la balise avec un CdV plus large dans le plan azimutal. De CdV de 120o et 9o dans les plans d’azimut et d’élévation sont respectivement choisis comme critères de conception pour la balise proposée. La propriété de rétroréflexion dans le plan d’azimut aide à améliorer la SER de la balise. La balise proposée reflète le signal incident avec une rotation de polarisation linéaire de 90o. Cette modulation de polarisation permet d’améliorer la visibilité de la cible par rapport au bruit de fond. De plus, une modulation d’amplitude est également implémentée dans la balise.----------Rear radar cross section (RCS) of automotive targets has a narrow angular response. A variation of several decibel per square meter (dBsm) can also be observed with slight change in the target orientation. Localization of such targets is challenging for an automotive radar. Furthermore, complex hardware is typically required to implement an effective radar resulting in high-cost systems that are affordable only in high-end vehicles. This defies the object of a safety system to avoid roadside accidents at large scale. This dissertation présents novel RCS enhancing tag and multibeam antenna for automotive radar applications. These components can possibly improve the performance of a super-resolution algorithm, and enable the development of a simple, low-cost automotive collision avoidance radar. Simple and costeffective system architecture is particularly important in millimeter wave frequency range, allocated for this application, where the material losses and device costs are significantly high. The proposed structures in this thesis can also find applications in other millimeter wave applications. A radar system is analyzed by studying the properties of Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique (ESPRIT), a well know super-resolution algorithm. Based on a MATLAB numerical simulation of this algorithm, it is established that a stable target RCS is important for employing this algorithm in automotive applications. This can be achieved by equipping the target with a RCS enhancing tag. Secondly, in this algorithm, the size of the receiver array determines the number of detectable targets. By sectoring the radar field of view (FoV) using a multibeam antenna, the localization error can be reduced for higher number of targets. The proposed tag is designed at 77 GHz, operating in the band allocated for automotive radar (76 GHz to 81 GHz). Automotive radar characteristics in the literature suggest a fan-beam shaped FoV for the tag with wider FoV in azimuth plane. Azimuth and elevation plane FoV of 120o and 9o are selected as design criteria for the proposed tag. Retroreflection property in the azimuth plane helps to improve the tag RCS. The proposed tag reflects the incident signal with 90o linear polarization rotation. This polarization modulation can enhance the target visibility against the background clutter. Additionally, an amplitude modulation is also implemented in the tag. This modulation can help to communicate additional information. It can also facilitate the target detection by improving the signal to noise ratio of the processed received signal.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie électrique
Dissertation/thesis director: Jean-Jacques Laurin and Jean-François Frigon
Date Deposited: 26 Jun 2018 15:47
Last Modified: 27 Jun 2019 16:47
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/3035/

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