Design of an Improved Microstrip Antenna for MIMO Radar

Abstract

Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) radar systems employ multiple transmit (TX) and receive (RX) antennas to enhance spatial resolution, target detection, and signal-to-noise ratio, while enabling wide-area coverage with a limited number of pulses. However, the overall performance of such systems is often constrained by the characteristics of the antenna elements, including their bandwidth, radiation pattern, polarization purity, and mutual coupling. This is particularly critical in sub-6 GHz MIMO radar applications, where lower carrier frequencies inherently limit operational bandwidth and impose physical integration challenges.

This thesis describes the design, improvement, and experimental validation of microstrip antenna elements developed for the Royal Military College of Canada’s (RMC) monostatic MIMO radar platform. The work begins with a review of recent advances in microstrip antenna and array design, focusing on microstrip antenna characteristics such as impedance bandwidth, radiation patterns, and mutual coupling. A review of microstrip antenna and feed-network designs was conducted to identify suitable configurations for the radar system. Based on their potential to satisfy the radar requirements, a circular patch antenna and a proximity-coupled, series-fed subarray were selected as the foundation for the design.

A proximity-coupled series-fed circular patch was designed for used in the TX subarray and improved using full-wave electromagnetic simulations to meet the radar operational requirements within the 5.25-5.925 GHz radar frequency band and a 200 MHz bandwidth BW, including broad azimuth coverage and a narrow elevation beamwidth. The simulated subarray achieved a frequency of 5.75 GHz, a 180 MHz BW, a peak gain of 9.2 dBi in the E-plane and 9.6 dBi in the H-plane, with measured half-power beamwidths HPBWs of approximately 67.4º and 40.0º, respectively. Although the achieved bandwidth was slightly below the target requirement, it resulted in a small decrease in range resolution.

The antenna satisfied the desired radiation characteristics for the intended radar application. Therefore, three improved subarrays were fabricated and experimentally characterized, and the measured results agreed well with the simulations. The best fabricated antenna achieved a measured frequency range of 5.66-5.875 GHz, corresponding to an impedance bandwidth of 215 MHz, with a resonance frequency of 5.736 GHz. The antenna achieved a peak gain of 9.2 dBi in the E-plane and 9.6 dBi in the H-plane, with measured HPBWs of approximately 50.9º and 33.6º, respectively. The measured radiation patterns exhibited broad azimuthal coverage and a narrower elevation response, with no distinct sidelobes identified in either plane.

The improved subarray was subsequently integrated into an eight-subarray, forming the two-dimensional (2D) planar array RX antenna. The resulting array achieving resonant frequencies between 5.719 and 5.728 GHz, impedance bandwidths between 164 and 189 MHz, adjacent-element mutual coupling below -18 dB, peak gains of at least 17.8 dBi, and front-to-back ratios greater than 26 dB. While the impedance bandwidth remained below the 200 MHz target, the array achieved the required frequency, mutual-coupling, and radiation-performance characteristics, making it suitable for sub-6 GHz MIMO radar applications.

Les systèmes radar à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) utilisent plusieurs antennes d'émission (TX) et de réception (RX) pour améliorer la résolution spatiale, la détection des cibles et le rapport signal/bruit, tout en permettant une couverture étendue avec un nombre limité d'impulsions. Cependant, les performances globales de ces systèmes sont souvent limitées par les caractéristiques des éléments d'antenne, notamment leur bande passante, leur diagramme de rayonnement, leur pureté de polarisation et leur couplage mutuel. C'est particulièrement critique dans les applications radar MIMO inférieures à 6 GHz, où les fréquences porteuses plus basses limitent intrinsèquement la bande passante en impédance et posent des défis d'intégration physique.

Cette thèse valide la conception, l’amélioration et la validation expérimentale d’éléments d’antenne à microruban adaptés à la plateforme radar MIMO monostatique du Collège militaire royal du Canada (CMR). Le travail commence par une revue des avancées récentes en matière de conception d’antennes à microruban et de réseaux d’antennes, en mettant l’accent sur leurs caractéristiques, notamment la bande passante en impédance, les diagrammes de rayonnement et le couplage mutuel. Une analyse des conceptions d’antennes à microruban et de réseaux d’alimentation a été menée afin d’identifier les configurations adaptées au système radar proposé. Compte tenu de leur capacité à répondre aux exigences du radar, une antenne microruban circulaire et un sous-réseau à couplage de proximité et à alimentation en série ont été choisis comme base de la conception.

Une antenne microruban circulaire à alimentation en série et à couplage de proximité a été conçue pour être utilisée dans le sous-réseau émetteur (TX) et améliorée à l’aide de simulations électromagnétiques en onde complète afin de répondre aux exigences opérationnelles du radar dans la bande de fréquences 5.25-5.925 GHz et avec une largeur de bande de 200 MHz, notamment une large couverture azimutale et une largeur de faisceau étroite en élévation. Le sous-réseau simulé a atteint une fréquence de 5,75 GHz, une largeur de bande de 180 MHz, un gain maximal de 9.2 dBi dans le plan E et de 9.6 dBi dans le plan H, avec des largeurs de faisceau à demi-puissance (HPBWs) mesurées d’environ 67.4ºet 40.0º, respectivement. Bien que la largeur de bande obtenue ait été légèrement inférieure à l’exigence cible de 200 MHz, l’antenne répondait aux caractéristiques de rayonnement souhaitées pour l’application radar prévue. Par conséquent, trois sous-réseaux améliorés ont été fabriqués et caractérisés expérimentalement, et les résultats mesurés concordaient bien avec les simulations. La meilleure antenne fabriquée a atteint une plage de fréquences mesurée de 5.66-5.875 GHz, correspondant à une largeur de bande d’impédance de 215 MHz, avec une fréquence de résonance de 5.736 GHz. L’antenne a atteint un gain maximal de 9.2 dBi dans le plan E et de 9.6 dBi dans le plan H, avec des HPBWs mesurées d’environ 50.9º et 33.6º, respectivement. Les diagrammes de rayonnement mesurés présentaient une large couverture azimutale et une réponse en élévation plus étroite, sans lobes latéraux distincts identifiés dans aucun des deux plans.

L'antenne sous-réseau améliorée a ensuite été intégrée à un ensemble de huit sous-réseaux, formant ainsi l’antenne réceptrice à réseau plan bidimensionnel. L'antenne présente des fréquences de résonance comprises entre 5.719 et 5.728 GHz, des largeurs de bande d’impédance comprises entre 164 et 189 MHz, un couplage mutuel entre éléments adjacents inférieur à -18 dB, des gains maximaux d'au moins 17.8 dBi et des rapports avant-arrière supérieurs à 26 dB. Bien que la bande passante d’impédance soit restée inférieure à la valeur cible de 200 MHz, le réseau a atteint les caractéristiques requises en matière de fréquence, de couplage mutuel et de rayonnement, ce qui le rend adapté aux applications de radar MIMO dans la bande inférieure à 6 GHz.