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Capteurs radars haute précision en ondes millimétrique.

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Salmanabadi, Homa Arab (2018). Capteurs radars haute précision en ondes millimétrique. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en télécommunications, 122 p.

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Résumé

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Les mesures qu’utilisent les radars sont une technologie essentielle, avec beaucoup d’applications. Les applications militaires, les observations météorologiques, le contrôle du trafic aérien, les radars anticollision, les applications de navigation, d’entretien des routes, les applications industrielles et biomédicales ne sont que quelques domaines. Cette thèse se propose d’introduire une technique de mesure innovatrice basée sur la technologie six-port pour diverses opérations de mesure, telles que la distance, la vitesse relative et la fréquence de vibration mécanique d’une cible. Il y a 4 bandes de fréquence principales allouées pour les applications radar, une à environ 24,125 GHz avec une largeur de bande d’environ 200MHz et, une autre à environ 24 GHz, avec une largeur de bande de 5 GHz, 76-77 GHz pour les radars bande-étroite, à longue portée et 77-81 GHz pour les radars large-bande, à courte portée. Cette contribution décrit un système radar à onde continue modulée en fréquence 77 GHz (FMCW) qui est entièrement basé sur une technologie intégrée MHMIC. A cette haute fréquence, la longueur d’onde et la taille du système diminuent; par conséquent, on obtient une sensibilité de détection et une résolution meilleures. L’excellente résolution de phase obtenue par le circuit six-port offre des capacités de mesure angulaire et de distance de haute précision. En outre, la faible consommation d’énergie, le bruit de phase extrêmement bas, la taille réduite, la conception simple et le faible coût de fabrication permettent son application dans différents types de systèmes de communication. Deux corrélateurs six-port différents, en utilisant des coupleurs hybride 90°, avec ou sans un diviseur de Wilkinson, ont été conçus, fabriqués et mesurés à la fréquence centrale de 77 GHz sur une largeur de bande de 12 GHz, pour couvrir les deux standards à environ 77 GHz. Les deux circuits pris en compte ont des signaux de sortie relativement bons et peuvent être utilisés comme modulateur et démodulateur dans le circuit du récepteur et de l’émetteur. Le corrélateur de phase six-port, avec quatre coupleurs hybride 90°, est choisi pour le prototype final, grâce à sa largeur de bande plus grande, à son erreur de phase plus petite et aux pertes d’insertion plus réduites, en comparaison avec le corrélateur de phase six-port avec un diviseur de Wilkinson. Un modulateur QPSK (modulation par déplacement de phase en quadrature) et un modulateur 16-QAM (modulation d’amplitude en quadrature 16) ont été conçus sur la base des mesures des paramètres S du six-port. Ils se composent d’un réseau en micro-ondes six-port passif pour mettre en application le schéma de modulation avec la charge variable appropriée, comme impédance finale. Le circuit modulateur est utilisé pour avoir une phase différente dans la section émettrice, afin d’établir la communication entre voitures. Il peut être aussi utilisé comme une alternative pour VCO, pour changer la fréquence, en utilisant les changements rapides dans la phase. Un démodulateur QPSK à base du circuit six-port, en combinaison avec les diodes Schottky sans polarisation a été conçu en logiciel ADS Momentum et fabriqué en substrat céramique. On obtient des positions des symboles très précises. Le circuit démodulateur est utilisé comme récepteur, pour convertir à la baisse le signal RF du prototype final. Dans chaque port de sortie du circuit six-port, deux diodes Schottky (HSCH 9161) et un coupleur hybride sont utilisés dans notre capteur afin d’extraire les informations sur la magnitude et sur la phase du signal réfléchi sur la cible. Le prototype complet du capteur est conçu, fabriqué et mesuré à 77 GHz, pour des applications professionnelles et industrielles à courte portée. Ce capteur est utilisé pour mesurer la distance et la fréquence Doppler à un coût raisonnable et à des performances exceptionnelles. L’entier prototype du circuit, y compris l’antenne de l’émetteur et du récepteur, l’interféromètre six-port et les quatre détecteurs de puissance ont été intégrés sur une monture. Des diapasons sont utilisés pour démontrer la performance du capteur six-port, qui offre des mesures de la fréquence précises, à différentes fréquences. Le prototype du capteur peut être aussi utilisé en FMCW ou dans les configurations multi-tonales, pour mesurer de manière précise la distance et la vitesse de la cible. A cause de la puissance très faible des ondes millimétriques, utilisée dans l’essai, les résultats concernent la courte portée. L’utilisation d’un amplificateur à faible bruit dans le front-end du récepteur augmentera considérablement la plage de fonctionnement. Grâce à ce processus de fabrication robuste et à faible coût, ces capteurs peuvent être utilisés dans diverses applications. Cette thèse comprend aussi les conclusions et les suggestions pour des travaux futurs, dans le but d’améliorer les capteurs radar à ondes millimétriques.

Abstract

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Direction finding and ranging techniques are a key technology with a large number of applications. Military, weather observation, air traffic control, collision avoidance radar, navigation, road maintenance, industrial and biomedical applications are just some fields of its application. The purpose of this dissertation is to introduce an innovative measurement technique based on the six-port technology for various measurement tasks, such as distance, relative speed, and mechanical vibration frequency of a target. There are 4 major frequency bands allocated for radar applications, one around 24.125 GHz with a bandwidth of around 200MHz, and the other around 24 GHz with a bandwidth of 5 GHz, 76-77 GHz for narrow-band long-range radars and 77-81° for short-range wideband radars. This contribution describes a 77 GHz frequency modulated continuous wave (FMCW) radar system that is completely based on a MHMIC integrated technology. At this high frequency, the wavelength and size of the system decrease, therefore a better detection sensitivity and resolution are obtained. The excellent phase resolution offered by the six-port circuit leads to high accuracy distance and angular measurement capabilities. Furthermore, low-power consumption, extremely low phase noise, small size, simple design, and low manufacturing price allow its application in many kinds of communication systems. Two different six-port correlators by using 90° hybrid couplers, with or without a Wilkinson power divider, were designed, fabricated, and measured at the center frequency of 77 GHz for a 12 GHz bandwidth, to cover both standards around 77 GHz. Both circuits taken into consideration have relatively good output voltage signals and can be used as a modulator and demodulator in receiver and transmitter circuit. The six-port phase correlator with four 90° hybrid couplers is chosen for the final prototype due to its wider bandwidth, smaller phase error, and lower insertion losses in comparison to the six-port phase correlator with a Wilkinson power divider. A quadrature phase shift keying (QPSK) modulator and 16 Quadrature amplitude modulation (16-QAM) modulator are designed based on the S-parameter measurements of the six-port. It is composed of a six-port passive microwave network to implement the modulation scheme with suitable variable load as impedance terminations. The modulator circuit is used to have a different phase at the transmitter section to enable car-to-car communication. It can also be used as an alternative for VCO, to change the frequency by using the rapid changes in the phase. A QPSK demodulator based on the designed six-port circuit in combination with zero bias Schottky diodes was designed in ADS Momentum software and fabricated in a ceramic substrate. It leads to very accurate symbol positions. The demodulator circuit is used as a receiver to down-convert the RF signal at the final prototype. In each output port of the six-port circuit, two Schottky diodes (HSCH 9161) and a hybrid coupler are used in our sensor to extract both magnitude and phase information of the reflected signal to the target. The complete sensor prototype is designed, fabricated, and measured at 77 GHz for short-range professional industrial applications. This sensor is deployed to measure distance and Doppler frequency for reasonable cost combined with exquisite performance. The whole circuit prototype, including the transmitter and the receiver antenna, the six-port interferometer, and four power detectors have been integrated on a die. Tuning forks are used to demonstrate the performance of the six-port sensor, which offers an accurate frequency measurement for different frequencies. The sensor prototype can also be used in FMCW or multi-tone configurations to precisely measure range and speed of a target. Because of the very low millimeter-wave power used in the experiment, the results are obtained in short range. The use of a low-noise amplifier in the receiver front-end will considerably increase the operating range. Due to this robust and low-cost schematic and manufacturing process, such sensors can be used in various applications. This thesis also contains conclusions and suggestions for future work in order to improve the future millimeter-wave radar sensors.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Tatu, Serioja Ovidiu
Co-directeurs de mémoire/thèse: Akyel, Cevdet
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: Capteurs radars; ondes millimétriques;
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 22 oct. 2018 13:38
Dernière modification: 22 oct. 2018 13:38
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/7597

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