Signal Processing and Antenna Design for Sub-Terahertz Radar Using Frequency
Diverse and Scanning Notch-Beam Antennas
Tid: To 2025-01-23 kl 09.00
Plats: F3 (Flodis), Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Elektro- och systemteknik
Respondent: Mohammad-Reza Seidi Goldar , Mikro- och nanosystemteknik
Opponent: Assistant professor Thomas Fromentèze, University of Limoges, Limoges, France; Xlim Research Institute, UMR CNRS 7252, Limoges, France
Handledare: Professor Joachim Oberhammer, Mikro- och nanosystemteknik
QC 20241218
Abstract
Denna avhandling utforskar design, tillverkning, karakterisering och prestanda hos frekvensdiverse antenner och frekvensskannande notchstråleantenner för högupplöst radardetektion och avbildning vid sub-THz-frekvenser i intervallet 220 till 330 GHz.
Genom att använda banbrytande kiselmikromaskineringstekniker presenterar arbetet innovativa lösningar som adresserar utmaningar inom högupplöst radaravbildning, med fokus på att förbättra avbildningsprestanda, minska hårdvarukomplexiteten och stärka signalbehandlingstekniker.
Kärnan i denna forskning är att analysera, karakterisera och utvärdera minimalistiska system med strålformsväxling i frekvensskannande notch- och bredstråleradarsystem. Ett system med två antenner designades för att växla mellan breda och smala strålmönster, vilket förbättrade avbildningsupplösning och hårdvarueffektivitet. Systemets förmåga att arbeta med färre komponenter samtidigt som hög prestanda bibehålls, förstärktes ytterligare genom avancerade signalbehandlingsalgoritmer som TwIST och MUSIC, vilka erbjöd överlägsen bildrekonstruktion i bullriga miljöer.
En viktig aspekt av denna forskning var experimentell validering av den skannande notch-antennen, som visade sin kapacitet för sub-THz-avbildning. Arbetet utvärderade olika algoritmer, inklusive FISTA, MUSIC och matched filter-metoder, och framhöll MUSICbegränsningar när flera mål var närvarande. För att övervinna utmaningen i scenarion med flera mål introducerades en ny adaptiv IFFT-range-gating-metod, som avsevärt förbättrade radarens förmåga att särskilja tätt placerade mål genom att effektivare separera de mottagna signalerna.
Vidareutveckling inom sub-THz-avbildningssystem utforskades genom design och tillverkning av en Mills-cross frekvensdivers antenn med slot-radiatorer och en direktvågledarförsörjningsnät. Denna konfiguration möjliggör effektiv diversitet i strålningsmönster över arbetsbandbredden, vilket bidrar till förbättrad avbildningsupplösning utan komplex mekanisk skanning eller fasskiftare.
Därefter utvecklade vi en mer avancerad bredbands frekvensdivers antenn för 220 till 330 GHz, med en array av kiselmikromaskinerade korsslitsradiatorer. Den frekvensdiversa antennen med korsslits kombineras med direkt och distribuerat matningsnätverk. Denna konfiguration, som använder korsslitsradiatorer och ett distribuerat matningsnätverk, förbättrade avsevärt strålningsmönsterdiversiteten och avbildningsupplösningen. Prestandan hos dessa frekvensdiverse antenner utvärderades med avancerade avbildningsalgoritmer, där FISTA och CoSaMP visade sig vara de föredragna algoritmerna för effektiv, högupplöst bildrekonstruktion under olika brusförhållanden. Dessa antenner är utformade för kortdistans och högupplöst avbildning och eliminerar behovet av fasskiftare eller mekanisk skanning, vilket uppnår olika strålningsmönster över ett brett frekvensområde.
Slutligen resulterade detta arbete i en detaljerad undersökning av avbildningsprestanda med dessa frekvensdiverse antenner, där jämförelsen av direkt och distribuerade matningsnätverk gav viktiga insikter för att optimera matningsdesigner för förbättrad bildkvalitet och rumslig upplösning. Dessutom undersökte vi inverkan av gles datainsamling på avbildningsprestanda, med hänsyn till gleshet i tre huvudsakliga områden: 1) när antennarrayen för avbildning är glesbefolkad, 2) när gles frekvenssampling appliceras över den tillgängliga bandbredden, och 3) när bandbredden delas mellan flera sändare, var och en som arbetar över en del av bandbredden, medan mottagaren använder hela bandbredden.
Dessa scenarier gav en omfattande förståelse för hur gleshet påverkar den övergripande avbildningsprestandan och upplösningen, vilket möjliggör effektivare datainsamling utan att kompromissa med bildkvaliteten.
Denna avhandling bidrar avsevärt till att driva fram sub-THz radardetektion och datorbaserad avbildning. Genom att integrera innovativa antenndesigner, adaptiva signalbehandlingstekniker och avancerade tillverkningsmetoder presenterar denna forskning en heltäckande lösning för att uppnå högupplöst radaravbildning med minimal hårdvarukomplexitet, vilket banar väg för praktiska tillämpningar inom säkerhet, medicinsk diagnostik och strukturell övervakning.