This book covers the characterization and design of small array antennas for ultra-wideband (UWB) industrial linear frequency-modulated continuouswave (FMCW) RADAR systems. Although the techniques developed in this work are not limited to a certain application scenario, in particular the design of a four-element uniform linear and four-element uniform circular array antenna is considered. The antenna arrays are used for implementing direction-of-arrival (DOA) estimation in a novel UWB secondary RADAR system for industrial local positioning applications. The system‘s frequency range is from 6 GHz to 9 GHz and hence possesses a relative bandwidth of 40 %. State of the art industrial FMCW RADAR systems in contrast traditionally operate in the narrowband regime with relative bandwidths much smaller than 10 %. In consequence methods traditionally used for characterizing the antennas, for modeling the influence of the antennas on the RADAR system performance, for implementing direction-of-arrival estimation in FMCW RADAR systems, and for designing antenna arrays are not sufficient. Their application to UWB FMCW RADAR systems is carefully reviewed, and where necessary extended to take into account effects emerging due to the large relative bandwidth.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung sowie der Entwicklung von kleinen Gruppenantennen für ultra-breitbandige (engl. ultrawideband, UWB) linear frequenzmodulierte Dauerstrich-Radarsysteme (engl. frequency-modulated continuous-wave, FMCW). Obwohl die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Verfahren nicht auf eine bestimmte Anwendung beschränkt sind, wird im Speziellen die Entwicklung einer gleichförmigen linearen sowie einer gleichförmigen zirkularen Gruppenantenne mit je vier Elementen betrachtet. Diese sollen für die Einfallswinkel-Schätzung (engl. direction of arrival, DOA) in einem neuartigen UWB Sekundärradarsystem zur lokalen Positionierung in Industrieumgebungen verwendet werden. Der Frequenzbereich dieses Radarsystems reicht von 6 GHz bis 9 GHz, was einer relativen Bandbreite von 40 % entspricht. Industrielle FMCW-Radarsysteme nach dem Stand der Technik hingegen sind typischerweise schmalbandige Systeme mit relativen Bandbreiten weit unter 10 %. Aus diesem Grund sind traditionelle Methoden für die Charakterisierung von Antennen, für die Modellierung des Einflusses von Antennen auf das Radarsystem, zur Implementierung von DOA-Schätzalgorithmen sowie für die Entwicklung von Gruppenantennen nicht ausreichend. Die Anwendbarkeit dieser Methoden auf UWB-FMCW-Radarsysteme wird sorgfältig geprüft und wo nötig erweitert, um die durch die große relative Bandbreite auftretenden Effekte zu berücksichtigen. Hierfür wird zuerst ein exaktes Modell für das Zwischenfrequenz-Empfangssignal (engl. intermediate frequency, IF) eines Mehrkanal-FMCW-Radarsystems unter der Annahme von idealen Punktsensoren aufgestellt. Näherungen werden dann auf dieses exakte Modell angewandt, um eine brauchbare Beschreibung für die Entwicklung von DOA-Schätzverfahren im betrachteten UWB-FMCW-Radarsystem zu erhalten. Es wird im Weiteren gezeigt, wie dieses Modell in Beziehung zu den für die Winkelschätzung in traditionellen FMCW-Radarsystemen verwendeten Schmalband-Modellen steht. Schließlich werden weiterentwickelte Verfahren zur Strahlformung basierend auf den Herangehensweisen von Bartlett und Capon vorgestellt, die die Eigenschaften des IF-Empfangssignals der UWB-FMCW-Sensorgruppe berücksichtigen. Diese Verfahren werden erweitert, um die gleichzeitige Schätzung von DOA und Zielentfernung zu ermöglichen. Ein sorgfältiger Vergleich zwischen den traditionellen und den weiterentwickelten Verfahren wird verwendet, um deren überlegene Leistungsfähigkeit in UWB-FMCW Radarsystemen aufzuzeigen. Des Weiteren wird gezeigt, dass der Abstand zwischen den Sensorelementen der Gruppe größer als traditionell bekannt gewählt werden kann, was die Entwicklung von kleinen UWB-Gruppenantennen signifikant erleichtert. Die auf idealen Sensorelementen basierenden Modelle werden schließlich vervollständigt, um simulierte oder gemessenen Eigenschaften von realen Antennen einzubeziehen. Hierfür werden herkömmliche Methoden zur Charakterisierung von UWB Einzelantennen herangezogen. Die Methoden werden erweitert um die notwendige Charakterisierung von kleinen Gruppenantennen, insbesondere unter Berücksichtigung der gegenseitigen Verkopplung, zu ermöglichen. Basierend auf der experimentellen Charakterisierung der Antennen wird dann ein vereinfachtes umfassendes Modell entwickelt, welches es erlaubt den Einfluss der Eigenschaften der Gruppenantenne auf das Empfangssignal eines Mehrkanal-UWB-FMCW-Radarsystems direkt zu modellieren. Hiermit kann der Einfluss der Antennen auf die Leistungsfähigkeit der Signalverarbeitungs Algorithmen bereits während der Antennenentwicklung berücksichtigt werden. Schließlich werden eine gleichförmige lineare und eine gleichförmige zirkulare Gruppenantenne mit je vier Antennenelementen für die betrachtete Anwendung entwickelt. Die lineare Gruppenantenne basiert auf einer neuen Methode, die als Spaltenverkopplungsmethode bezeichnet wird. Hierdurch können die benötigten Eigenschaften im Frequenzbereich von 6 GHz bis 9 GHz erreicht werden. Die zirkulare Gruppenantenne ist für die Integration auf einem Fahrzeugdach optimiert und basiert auf einer mechanisch robusten Realisierung von konischen Antennen-Elementen.