Metamaterial antenna design for 5.8 GHz Doppler radar

Abstract

This thesis presents mainly simulation and measurement results of metamaterial based transmitter and receiver antennas for a Doppler radar system operating at 5.8 GHz and indoor, outdoor and through-wall performances of the Doppler radar system after the integration of field and the realized transmitter and receiver antennas. Firstly, the antennas are modeled via 3D electromagnetic simulation program CST:Microwave Studio and related parameters are calculated. Afterwards, in order to observe antenna performances, radiation pattern and gain characteristics of realized antennas are measured in laboratory environment including anechoic chamber. Another essential objective of this thesis is to examine and analyze applicability and effectiveness of the metamaterial based antennas for a 5.8 GHz Doppler radar system. For this reason, a double negative index metamaterial structure is integrated to a patch antenna for the transmitter. For the receiver antenna, a near-zero index medium is designed to locate over patch antenna. Accordingly, significant improvements in size and bandwidth for the transmitter and in gain and directivity for the receiver in addition to improvement of its psychical size are obtained. It is shown that return loss, radiation pattern and gain measurement results of the designed antennas agree well with the simulations for a desired frequency band. According to the experimental data, the realized transmitter antenna has a higher directivity value as compared to the simulated one, therefore it radiates most of the power into narrower area. Additionally, the measured one has a wider bandwidth. The measurement results of receiver antenna are consistent with simulation in terms of bandwidth, return-loss, radiation pattern of horizontal direction and gain value. The last part of the thesis is devoted to expressing the application of the designed antennas to the low-power, short-range Doppler radar system, which is designed to detect the speed of the human or moving target in the indoor/outdoor environment or behind the wall. Improvements on the performance of the radar system integrated with metamaterial antennas are discussed and performances results are commented.

Bu tez çalışması esas olarak 5.8 GHz Doppler radar sistemi için tasarlanmış metamalzeme tabanlı verici ve alıcı antenlerin simülasyon ve ölçüm sonuçları ile üretilmiş antenlerin sisteme entegre edilmiş haliyle, iç/dış ortam ve duvar arkası radar performans analizlerini içermektedir. Öncelikle antenler üç boyutlu elektromagnetik benzetim programı olan CST:Microwave Studio ile modellenmiş ve ilgili alan ve parametreler hesaplanmıştır. Ardından, gerçeklenen antenlerin, performanslarını gözlemlemek amacıyla kullanılan yankısız odada ışıma paterni ve kazanç ölçümleri yapılmıştır. Bu tezin hedeflerinden bir diğeri ise metamalzeme tabanlı antenlerin 5.8 GHz Doppler radar sistemine uygulanabilirliğini ve verimliliğini araştırmaktır. Bu nedenle, verici anten için çift negatif indeksli metamalzeme yapısı yama antene entegre edilmiştir. Alıcı anten için ise, yama anten üzerine yerleştirilmek üzere sıfıra yakın indeksli metamalzeme plaka tasarlanmıştır. Bu sayede, verici anten için fiziksel boyut kısmında ve verimliliğinde, alıcı anten için ise fiziksel boyutunun yanı sıra anten kazancında ve yönelticilik değerinde kayda değer gelişmeler sağlanmıştır. Yenilikle tasarlanan antenlerin hedeflenen frekanslardaki, yansıma kaybı, ışıma paterni ve kazanç ölçüm sonuçlara göre, simülasyon ile ölçüm verileri arasında iyi bir uyum olduğu gözlemlenmektedir. Elde edilen deneysel bulgulara göre, gerçeklenen verici anten benzetim ortamında tasarlanan yapıya göre daha fazla yönelticilik değerine sahiptir, dolayısıyla gücünün çoğunu daha dar bir açıda ortama yayar. Ayrıca daha büyük bir bant genişliğine sahiptir. Alıcı anten için ise bant genişliği, yansıma kaybı, yatay polarizasyon yayılım grafiği ve anten kazancı değerleri benzetim sonuçları ile uyumludur. Tezin son kısmı tasarlanan antenlerin, insan veya hareketli herhangi bir hedefin iç/dış çevredeki veya duvarın arkasındaki hızını tespit etmek amacıyla oluşturulan düşük güçlü, kısa mesafe Doppler radar sistemine uygulanmasını ifade etmek için ayrılmıştır. Metamalzeme antenlerle entegre edilmiş radar sisteminin performans iyileştirmeleri tartışılmış ve performans sonuçları yorumlanmıştır.