radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2021-24-3-39-48radioelectronics-520Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВENGINEERING DESIGN AND TECHNOLOGIES OF RADIO ELECTRONIC FACILITIESОсобенности конструкции антенных решеток автомобильных радаров, построенных на основе передающих и приемных многоэлементных модулейDesign Features of Antenna Arrays of Automotive Radars Based on Transmitting and Receiving Multi-Element ModulesКузинА. А.KuzinA. A.

Кузин Андрей Алексеевич – доцент (2013) кафедры информационных радиосистем. Автор 40 научных работ. Сфера научных интересов – радиолокация, цифровая обработка сигналов.

ул. Минина, 24, Нижний Новгород, 603950

Andrey A. Kuzin, Associate Professor (2013) of the department of informational radio systems. The author of 40 scientific publications. Area of expertise: radiolocation, digital signal processing.

24 Minin St., Nizhny Novgorod, 603950

kuzin_andrey@nntu.ruМякиньковА. В.MiakinkovA. V.

Мякиньков Александр Валерьевич – доктор технических наук (2013), доцент (2010), профессор кафедры информационных радиосистем, директор института радиоэлектроники и информационных технологий. Автор 100 научных работ. Сфера научных интересов – радиолокация, цифровая обработка сигналов.

ул. Минина, 24, Нижний Новгород, 603950

Aleksandr V. Miakinkov, Dr. Sci. (Eng.) (2013), Associate Professor (2010), Professor of the department of informational radio systems, director of the Institute of radio electronics and informational technology. The author of 100 scientific publications. Area of expertise: radiolocation, digital signal processing.

24 Minin St., Nizhny Novgorod, 603950

redvillage@mail.ruШабалинС. А.ShabalinS. A.

Шабалин Семен Андреевич – инженер по специальности "Радиоэлектронные системы и комплексы" (2018), аспирант кафедры информационных радиосистем (2018). Автор 10 научных работ. Сфера интересов – радиолокация, антенны и СВЧ-устройства.

ул. Минина, 24, Нижний Новгород, 603950

Semen A. Shabalin, Engineer on Electronic systems and complexes (2018), the post-graduate student of the department of informational radio systems. The author of 10 scientific publications. Area of expertise: radiolocation, antennas and microwave devices.

24 Minin St., Nizhny Novgorod, 603950

shabalin.semyon@yandex.ruНижегородский государственный технический университет им. Р. Е. АлексееваРоссияNizhny Novgorod State Technical University n. a. R. E. AlekseevRussian Federation2021210620212433948Copyright © Кузин А.А., Мякиньков А.В., Шабалин С.А., 20212021Кузин А.А., Мякиньков А.В., Шабалин С.А.Kuzin A.A., Miakinkov A.V., Shabalin S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/520

Введение. В современных автомобилях в качестве основных сенсоров систем помощи водителю, обнаруживающих объекты при любых погодных условиях, применяют радары. Одним из самых распространенных типов антенн является антенная решетка (АР). Коэффициент взаимной связи между соседними каналами АР оказывает значительное влияние на формируемую диаграмму направленности (ДН). Данный аспект важно учитывать для достижения заданных значений коэффициента усиления и уровня боковых лепестков (УБЛ) ДН. В статье проанализировано влияние предлагаемых конструктивных решений на основные параметры спроектированной АР автомобильного радара, в частности на уровень коэффициента взаимной связи между каналами, УБЛ ДН.Цель работы. Реализация оптимального подхода к построению топологии АР с точки зрения уменьшения уровня взаимного влияния соседних каналов решетки и получения ДН антенны с заданными характеристиками.Методы и материалы. Для достижения требуемых параметров разработанной топологии АР методом конечных элементов (finite element method – FEM) рассчитаны и спроектированы копланарные и микрополосковые линии и модели экранов.Результаты. Проведено электродинамическое моделирование АР миллиметрового диапазона. Показано влияние на ДН АР копланарных линий передачи. Исследованы особенности применения экранирующих элементов в структуре АР. В результате сравнительного анализа материалов определены параметры подложки для достижения лучшего уровня развязки между соседними каналами антенны.Заключение. Применение копланарных линий передачи позволяет значительно уменьшить УБЛ ДН в угломестной плоскости. В случае использования делителей мощности при формировании модулей АР (подрешеток) вместо копланарных линий целесообразно использование микрополосковых конструкций, закрытых специальными экранирующими поверхностями. В этом случае возможно формирование заданного амплитудно-фазового распределения по апертуре.

Introduction. Modern vehicles are equipped with radars, which serve as the main sensors of driver assistance systems detecting objects in all weather conditions. Antenna arrays (AA) are the most common type of radar antennas. The coefficient of mutual coupling between adjacent antenna channels has a significant effect on the formed radiation pattern (RP) of an AA. This aspect is important for achieving the required values of gain and side-lobe level (SLL). This article analyses the effect of the proposed design solutions on the main parameters of an automotive radar AA, in particular, on the mutual coupling coefficient between the channels and the SLL of the DP.Aim. To develop an optimal approach to constructing an AA topology in terms of reducing the level of mutual influence of adjacent array channels and obtaining a DP with specified characteristics.Materials and methods. To achieve the required parameters of the designed AA topology, the coplanar and microstrip lines were calculated using the finite element method and shield models.Results. An electrodynamic modeling of a millimetre-wave AA was carried out. The effect of coplanar transmission lines on the RP was shown. The features of applying shielding elements in the AA structure were investigated. Antenna patterns were obtained for both an AA designed based on coplanar transmission lines and that based on the use of shields. The conducted comparative analysis determined the parameters of the substrate optimal for achieving a better level of decoupling between adjacent antenna channels. The values of AA RP obtained during modeling were presented.Conclusion. The use of coplanar transmission lines can significantly reduce the SLL of the DP in the elevation plane. When implementing the module structure of an array (using of sub-arrays), the power dividers are realized. In this case, instead of coplanar lines, it is advisable to use specific microstrip constructions covered with shielding surfaces. In this case, the formation of a given amplitude-phase distribution over aperture is possible. A comparative analysis of the AA topologies with different substrates was carried out with the purpose of achieving improved decoupling. The obtained values of the coefficient of mutual influence of adjacent array channels correspond to those of modern AA of automotive radars. The methods of reducing the parasitic radiation of transmission lines were considered. The AA RP obtained via electrodynamic modeling were presented. The use of a thin substrate with a higher dielectric constant makes it possible to improve the AA characteristics.

антенная решеткакопланарная линияэкранированиевзаимная развязка каналовдиаграмма направленностимикрополосковая линияantenna arraycoplanar lineshieldingmutual decoupling of channelsradiation patternmicrostrip lineРабота выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (соглашение № 075-11-2019-053 от 20 ноября 2019 года (Постановление Правительства РФ от 9 апреля 2010 г. № 218), проект "Создание отечественного высокотехнологичного производства систем безопасности автотранспорта на основе блока управления и интеллектуальных датчиков, включающих миллиметровые радары диапазона 76…77 ГГц".The paper was prepared in the Nizhny Novgorod State Technical University n. a. R. E. Alekseev and supported by the Agreement No. 075-11-2019-053 dated 20.11.2019 (Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation in accordance with the Decree of the Government of the Russian Federation of April 9, 2010 No. 218), project "Creation of a domestic high-tech production of vehicle security systems based on a control mechanism and intelligent sensors, including millimetre radars in the 76…77 GHz range".ReferencesRadar Subsystems of Autonomous Mobile Robotic Systems for studying Tsunami in the Coastal Zone / P. O. Beresnev, A. A. Kurkin, A. A. Kuzin, A. V. Myakinkov, E. N. Pelinovsky, A. G. Ryndyk, S. A. Shabalin // Science of Tsunami Hazards. 2020. Vol. 39, iss. 3. P. 137-155.Radar Subsystems of Autonomous Mobile Robotic Systems for studying Tsunami in the Coastal Zone / P. O. Beresnev, A. A. Kurkin, A. A. Kuzin, A. V. Myakinkov, E. N. Pelinovsky, A. G. Ryndyk, S. A. Shabalin // Science of Tsunami Hazards. 2020. Vol. 39, iss. 3. P. 137-155.Pirkani A. A., Pooni S., Cherniakov M. Implementation of MIMO beamforming on OTS FMCW Automotive Radar // Proc. Intern. Radar Symp. Ulm, Germany, 26-28 June, 2019. doi: 10.23919/IRS.2019.8768103Pirkani A. A., Pooni S., Cherniakov M. Implementation of MIMO beamforming on OTS FMCW Automotive Radar // Proc. Intern. Radar Symp. Ulm, Germany, 26-28 June, 2019. doi: 10.23919/IRS.2019.8768103Zwanetski A., Kronauge M., Rohling H. Waveform Design for FMCW MIMO Radar based on Frequency Division // 14 th Intern. Radar Symp. (IRS). Dresden, Germany, 19–21 June, 2013. Piscataway: IEEE, 2013. Vol. 1. P. 89–94.Zwanetski A., Kronauge M., Rohling H. Waveform Design for FMCW MIMO Radar based on Frequency Division // 14 th Intern. Radar Symp. (IRS). Dresden, Germany, 19–21 June, 2013. Piscataway: IEEE, 2013. Vol. 1. P. 89–94.Bogdan T., Dorina I. Simulation of Automotive MIMO Radar // 14 th Intern. Symp. of Electronics and Telecommunications. Conf. Timisoara, Romania, 5–6 Nov. 2020. Piscataway: IEEE, 2020. doi: 10.1109/ISETC50328.2020.9301103Bogdan T., Dorina I. Simulation of Automotive MIMO Radar // 14 th Intern. Symp. of Electronics and Telecommunications. Conf. Timisoara, Romania, 5–6 Nov. 2020. Piscataway: IEEE, 2020. doi: 10.1109/ISETC50328.2020.9301103Development of the Automotive Radar for the Systems of Adaptive Cruise Control and Automatic Emergency Breaking / V. N. Burov, A. A. Kuzin, A. V. Myakinkov, A. D. Pluzhnikov, A. G. Ryndyk, R. S. Fadeev, S. A. Shabalin, P. S. Rogov // Proc. of 2019 Intern. Conf. on Engineering and Telecommunication (EnT). 20–21 Nov. 2019, Dolgoprudny, Russia. Piscataway: IEEE, 2019. doi: 10.1109/EnT47717.2019.9030600Development of the Automotive Radar for the Systems of Adaptive Cruise Control and Automatic Emergency Breaking / V. N. Burov, A. A. Kuzin, A. V. Myakinkov, A. D. Pluzhnikov, A. G. Ryndyk, R. S. Fadeev, S. A. Shabalin, P. S. Rogov // Proc. of 2019 Intern. Conf. on Engineering and Telecommunication (EnT). 20–21 Nov. 2019, Dolgoprudny, Russia. Piscataway: IEEE, 2019. doi: 10.1109/EnT47717.2019.9030600Банков С. Е., Курушин А. А. Электродинамика и техника СВЧ для пользователей САПР. М.: Солон-пресс, 2017. 316 с.Bankov S. E., Kurushin A. A. Electrodynamics and microwave Technology for CAD users. M., Solon-press, 2017, 316 p. (In Russ.)Balanis C. A. Antenna Theory. Analysis and Design. 4 th ed. Hoboken: John Wiley and Sons, Inc., 2016. 1072 p.Balanis C. A. Antenna Theory. Analysis and Design. 4 th ed. Hoboken: John Wiley and Sons, Inc., 2016. 1072 p.Mailloux R. J. Phased Array Antenna Handbook. 3d ed. Boston: Arthech House, Inc., 2018. 506 p.Mailloux R. J. Phased Array Antenna Handbook. 3d ed. Boston: Arthech House, Inc., 2018. 506 p.Shabalin S. A., Myakinkov A. V., Kuzin A. A. Phased Array Antenna of Millimeter Range for Automotive Radar // Proc. of the 2019 IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering. Saint Petersburg, Russia, 28–31 Jan., 2019. Piscataway: IEEE, 2019. doi: 10.1109/EIConRus.2019.8657164Shabalin S. A., Myakinkov A. V., Kuzin A. A. Phased Array Antenna of Millimeter Range for Automotive Radar // Proc. of the 2019 IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering. Saint Petersburg, Russia, 28–31 Jan., 2019. Piscataway: IEEE, 2019. doi: 10.1109/EIConRus.2019.8657164Chen Z., Otto S. A Taper Optimization for Pattern Synthesis of Microstrip Series-fed Patch Array Antennas // Europ. Wireless Technology Conf. Rome, Italy, 28–29 Sept., 2009. Piscataway: IEEE, 2009. P. 160–163.Chen Z., Otto S. A Taper Optimization for Pattern Synthesis of Microstrip Series-fed Patch Array Antennas // Europ. Wireless Technology Conf. Rome, Italy, 28–29 Sept., 2009. Piscataway: IEEE, 2009. P. 160–163.Jian B., Yuan J., Liu Q. Procedure to Design a Seriesfed Microstrip Patch Antenna Array for 77 GHz Automotive Radar // Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conf. Taiyuan, China, 18–21 July 2019. Piscataway: IEEE, 2019. 2 p. doi: 10.1109/CSQRWC.2019.8799356Jian B., Yuan J., Liu Q. Procedure to Design a Seriesfed Microstrip Patch Antenna Array for 77 GHz Automotive Radar // Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conf. Taiyuan, China, 18–21 July 2019. Piscataway: IEEE, 2019. 2 p. doi: 10.1109/CSQRWC.2019.8799356Pozar D. M. Microwave Engineering. 4 th ed. Hoboken: John Wiley and Sons, Inc., 2011. 736 p.Pozar D. M. Microwave Engineering. 4 th ed. Hoboken: John Wiley and Sons, Inc., 2011. 736 p.Rida A., Tentzeris M., Nikolaou S. Design of Low Cost Microstrip Antenna Arrays for mm-Wave Applications // IEEE Intern. Symp. on Anten. and Prop. Spokane, USA, 3–8 July, 2011. Piscataway: IEEE, 2011. P. 2071–2073. doi: 10.1109/APS.2011.5996916Rida A., Tentzeris M., Nikolaou S. Design of Low Cost Microstrip Antenna Arrays for mm-Wave Applications // IEEE Intern. Symp. on Anten. and Prop. Spokane, USA, 3–8 July, 2011. Piscataway: IEEE, 2011. P. 2071–2073. doi: 10.1109/APS.2011.5996916A High-gain Circularly-polarized Patch Antenna Design using an Advanced Shielding Technique / S. P. Sun, C.-N. Chiu, Y.-C. Chuang, T.-C. Lin, H.-C. Hsieh // IEEE Intern. Symp. on Electromagnetic Compatibility and IEEE Asia-Pacific Symp. on Electromagnetic Compatibility. Suntec City, Singapore, 14–18 May, 2018. Piscataway: IEEE, 2018. P. 10671070. doi: 10.1109/ISEMC.2018.8393950A High-gain Circularly-polarized Patch Antenna Design using an Advanced Shielding Technique / S. P. Sun, C.-N. Chiu, Y.-C. Chuang, T.-C. Lin, H.-C. Hsieh // IEEE Intern. Symp. on Electromagnetic Compatibility and IEEE Asia-Pacific Symp. on Electromagnetic Compatibility. Suntec City, Singapore, 14–18 May, 2018. Piscataway: IEEE, 2018. P. 10671070. doi: 10.1109/ISEMC.2018.8393950Jang T. H., Kim H. Y., Park C. S. A 60 GHz Selfshielded Yagi Antenna with Pyramidal Horn // Intern. Symp. on Anten. and Prop. Okinawa, Japan, 24–28 Oct., 2016. P. 786–787.Jang T. H., Kim H. Y., Park C. S. A 60 GHz Selfshielded Yagi Antenna with Pyramidal Horn // Intern. Symp. on Anten. and Prop. Okinawa, Japan, 24–28 Oct., 2016. P. 786–787.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.