Array-Antenne mit reihengekoppelter Konfiguration für hohe Strahlungsleistung in der Automobilradar‑Anwendung für IoT

Intelligenteres Auto‑Radar für sicherere Straßen

Moderne Autos entwickeln sich schnell zu fahrenden Computern, ausgestattet mit Sensoren, die helfen, die Straße zu sehen und Gefahren zu vermeiden. Unter diesen Sensoren ist Radar besonders wichtig, weil es Entfernungen und Geschwindigkeiten zuverlässig messen kann – selbst bei Regen, Nebel oder Dunkelheit. Dieser Artikel beschreibt eine neue Art kompakter Radarantenne für das 24‑Gigahertz‑Band, konzipiert für Fahrzeuge, die ständig mit dem Internet der Dinge (IoT) verbunden sind. Durch die Kombination kluger Hardwaregestaltung mit einer durch künstliche Intelligenz gesteuerten Optimierung erreichen die Forschenden schärfere, stärkere Radarstrahlen auf sehr geringem Raum – ein attraktives Konzept für sicherere, intelligentere Fahrzeuge.

Warum Autos bessere „Augen“ brauchen

Die heutigen Fahrerassistenzsysteme – wie adaptive Geschwindigkeitsregelung, Totwinkelwarnung und Einparkhilfen – sind auf Radar angewiesen, um das Umfeld des Fahrzeugs zu überwachen. Diese Radarsysteme müssen Objekte in mehreren zehn Metern Entfernung erkennen, zwischen nahen Fahrzeugen und Fußgängern unterscheiden und gleichzeitig unauffällig in Stoßstangen und Karosserieelemente passen. Das 24‑Gigahertz‑Frequenzband ist beliebt, weil es zuverlässige Leistungen bei verschiedenen Wetterbedingungen bietet und sich gut für Kurz‑ und Mittelbereichserfassung im dichten Stadtverkehr eignet. Die Antennenentwicklung für dieses Band ist jedoch anspruchsvoll: Ingenieure müssen hohe Richtwirkung (starke, fokussierte Signale), breite nutzbare Bandbreite und geringe Leistungsverluste in eine kleine, kostengünstige Struktur quetschen, die wie eine Leiterplatte in großer Stückzahl gefertigt werden kann.

Kompaktes Antennendesign auf kleinem Formfaktor

Die Autoren stellen zwei eng verwandte Antennendesigns vor, die diese Anforderungen mit flachen, kreisförmigen Metallpatches auf einer Mikrowellen‑Leiterplatte erfüllen. Ein Design hat zwei Reihen zu fünf Patches (2 × 5), das andere vier Reihen zu fünf Patches (4 × 5). Ein spezieller Leistungsaufteiler teilt das eingehende Radarsignal in gleiche Anteile und speist jeden Patch über schlanke Metallleitungen, die neben den Patches verlaufen, statt direkt in diese zu führen. Diese nahe Kopplung vermeidet fragile vertikale Verbindungen und verbessert die Bandbreite, während ein sorgfältig gewählter Abstand zwischen den Patches dafür sorgt, dass sich die Einzelsignale zu einem starken, schmalen Strahl addieren. Das Ergebnis ist in einem Design ein fächerförmiger Strahl für breite Abdeckung und im anderen ein stiftförmiger (pencil‑like) Strahl für größere Reichweite und hohe Auflösung.

Künstliche Intelligenz zur Feinabstimmung der Hardware

Statt Abmessungen per Versuch und Irrtum zu verändern, setzt das Team auf ein KI‑unterstütztes Optimierungsverfahren namens PSADEA. Dieser Algorithmus prüft verschiedene Kombinationen von Schlüsselparametern – etwa Abstände zwischen Speiseleitungen und Patches, Patch‑Größen und Leitungs­längen – mithilfe schneller mathematischer „Surrogat“-Modelle, die durch vollständige elektromagnetische Simulationen untermauert sind. PSADEA sucht nach Geometrien, die gleichzeitig geringe Signalreflexionen, hohen Gewinn und eine angemessen schmale Strahlbreite liefern. Im Vergleich zu traditionelleren Algorithmen wie genetischen Verfahren oder partikelbasierten Suchen erreicht PSADEA mit deutlich weniger rechenintensiven Simulationen bessere Designs und spart erheblich Rechenzeit, während dennoch viele Möglichkeiten untersucht werden.

Gemessene Leistung im Messbereich

Prototypen beider Arrays wurden auf einem verlustarmen Rogers‑Leiterplattenmaterial aufgebaut und in einer anechoischen Kammer gemessen, die den freien Raum nachahmt. Über das 23–25‑Gigahertz‑Band, das von vielen Automobilradaren genutzt wird, zeigen beide Antennen sehr geringe Signalreflexionen, das heißt, der Großteil der Leistung wird in Strahlung umgesetzt statt zur Elektronik zurückzuwerfen. Das kleinere 2 × 5‑Array erreicht etwa 16 Dezibel Gewinn, während das 4 × 5‑Array rund 19,5 Dezibel erreicht, mit in Simulationen über 95 Prozent Strahlungseffizienz. Ihre Strahlen entsprechen den Simulationen gut: Das 2 × 5‑Design bildet in einer Ebene einen breiten Fächer, ideal zur Abdeckung großer seitlicher oder hinterer Bereiche, während das 4 × 5‑Design in beiden Richtungen einen engeren Strahl erzeugt, besser geeignet für die Fernsicht. Im Vergleich zu anderen veröffentlichten Antennen erreichen diese Arrays eine ungewöhnlich hohe Apertur­effizienz, das heißt, sie holen mehr nutzbare Strahlstärke aus jedem Quadratzentimeter Hardware heraus.

Was das für zukünftige vernetzte Fahrzeuge bedeutet

Für Nicht‑Fachleute lautet die Hauptaussage: Die Autoren zeigen, wie man sehr effiziente, stark fokussierte Radarantennen in einem kleinen, flachen Formfaktor mit Werkzeugen und Materialien baut, die mit massengefertigter Elektronik kompatibel sind. Indem ein KI‑basierter Optimierer die detaillierte Geometrie steuert, entstehen Designs, die viele existierende Lösungen übertreffen und zugleich Kosten und Größe im Griff behalten. Diese Feststrahlantennen eignen sich besonders gut für gängige Fahrerassistenzaufgaben wie Totwinkel­erkennung, Warnungen bei querendem Verkehr hinten, Einparkhilfen und mittlere Vorwärts­erfassung. Wenn Fahrzeuge tiefer in IoT‑Netzwerke eingebunden werden und Radardaten mit anderen Fahrzeugen und der Infrastruktur teilen, werden solche kompakten, hochleistungsfähigen Antennen ein Schlüsselelement für sicherere, aufmerksamere Transportsysteme sein.

Zitation: Zakeri, H., Parvaneh, M., Moradi, G. et al. Array antenna with series-fed configuration providing high radiation performances for automotive radar in IoT applications. Sci Rep 16, 11116 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40981-x

Schlüsselwörter: Automobilradar, Antennenanordnung, 24 GHz, Internet der Dinge, KI‑Optimierung