Antena macierzowa z konfiguracją zasilaną szeregowo zapewniająca wysokie parametry promieniowania dla radaru samochodowego w zastosowaniach IoT

Inteligentniejszy radar samochodowy dla bezpieczniejszych ulic

Współczesne samochody szybko stają się mobilnymi komputerami, wyposażonymi w liczne czujniki pomagające im widzieć drogę i unikać zagrożeń. Wśród tych czujników radar odgrywa szczególnie ważną rolę, ponieważ potrafi niezawodnie mierzyć odległość i prędkość, nawet w deszczu, mgle czy ciemności. Artykuł opisuje nowy rodzaj kompaktowej anteny radarowej zaprojektowanej dla pasma 24 gigaherców, przeznaczony dla samochodów stale podłączonych do internetu rzeczy (IoT). Dzięki połączeniu sprytnej konstrukcji sprzętowej z optymalizacją napędzaną sztuczną inteligencją, badacze uzyskują ostrzejsze, silniejsze wiązki radarowe na bardzo małej przestrzeni — atrakcyjne rozwiązanie dla bezpieczniejszych, inteligentniejszych pojazdów.

Dlaczego samochody potrzebują lepszych „oczu”

Systemy wspomagania kierowcy — takie jak adaptacyjny tempomat, ostrzeganie o martwym polu czy asystenci parkowania — opierają się na radarze do monitorowania otoczenia pojazdu. Radary te muszą wykrywać obiekty oddalone o dziesiątki metrów, odróżniać pobliskie samochody od pieszych i jednocześnie mieścić się dyskretnie w zderzakach i panelach nadwozia. Pasmo 24 gigaherców jest popularne, ponieważ zapewnia niezawodne działanie w różnych warunkach pogodowych i nadaje się do krótkiego i średniego zasięgu w zatłoczonym ruchu miejskim. Projektowanie anten dla tego pasma jest jednak wyzwaniem: inżynierowie muszą upakować wysokie wzmocnienie (silne, skupione sygnały), szerokie użyteczne pasmo i niskie straty energii w małej, taniej konstrukcji, którą można masowo produkować jak płytki drukowane.

Kompaktowa konstrukcja anteny na małej powierzchni

Autorzy przedstawiają dwa blisko spokrewnione projekty anten, które spełniają te wymagania, używając płaskich, okrągłych łatek metalowych wytrawionych na płytce mikrofalowej. Jeden projekt ma dwa rzędy po pięć łatek (2 × 5), a drugi cztery rzędy po pięć łatek (4 × 5). Niestandardowy „dzielnik mocy” rozdziela nadchodzący sygnał radarowy na równe części i zasila każdą łatkę przez cienkie linie metalowe biegnące obok, zamiast bezpośrednio do, łatek. Takie sprzężenie boczne unika kruchego połączenia pionowego i poprawia szerokość pasma, podczas gdy starannie dobrane odstępy między łatkami pomagają, by ich sygnały sumowały się w silną, wąską wiązkę. Efektem jest wiązka wachlarzowa zapewniająca szerokie pokrycie w jednym projekcie oraz bardziej ołówkowa wiązka do dłuższego zasięgu i wysokiej rozdzielczości w drugim.

Wykorzystanie sztucznej inteligencji do dopracowania sprzętu

Zamiast poprawiać wymiary metodą prób i błędów, zespół polega na wspomaganej sztuczną inteligencją metodzie optymalizacji zwanej PSADEA. Algorytm testuje różne kombinacje kluczowych parametrów projektowych — takich jak szczeliny między liniami zasilającymi a łatkami, rozmiary łatek i długości linii — korzystając z szybkich matematycznych modeli „zastępczych” wspartych pełnymi symulacjami elektromagnetycznymi. PSADEA poszukuje kształtów, które jednocześnie zapewniają niskie odbicia sygnału, wysokie wzmocnienie i odpowiednio wąską wiązkę. W porównaniu z bardziej tradycyjnymi algorytmami, takimi jak strategie genetyczne czy przeszukiwanie cząsteczkowe, PSADEA osiąga lepsze projekty przy znacznie mniejszej liczbie kosztownych symulacji, oszczędzając istotny czas obliczeniowy przy jednoczesnym badaniu wielu możliwości.

Pomiary wydajności na stanowisku testowym

Prototypy obu macierzy zostały wykonane na materiale Rogers o niskich stratach i zmierzone w komorze bezechowej, imitującej przestrzeń wolną. W paśmie 23–25 gigaherców używanym przez wiele radarów samochodowych obie anteny wykazują bardzo niskie odbicia sygnału, co oznacza, że większość mocy przekształcana jest w promieniowanie, zamiast odbijać się z powrotem do elektroniki. Mniejsza macierz 2 × 5 osiąga około 16 decybeli wzmocnienia, natomiast macierz 4 × 5 osiąga około 19,5 decybela, z symulowanymi sprawnościami promieniowania powyżej 95 procent. Ich wiązki dobrze odpowiadają symulacjom: projekt 2 × 5 tworzy szeroki wachlarz w jednej płaszczyźnie, idealny do pokrywania dużych obszarów bocznych lub tylnych, podczas gdy projekt 4 × 5 generuje bardziej skupioną wiązkę w obu kierunkach, lepiej nadającą się do obserwacji dalekiego przodu. W porównaniu z innymi opublikowanymi antenami te macierze osiągają niezwykle wysoką „sprawność apertury”, co oznacza, że z każdego centymetra kwadratowego sprzętu uzyskują więcej użytecznej mocy wiązki.

Co to oznacza dla przyszłych pojazdów połączonych w sieć

Dla osób niebędących specjalistami najważniejszy wniosek jest taki, że autorzy pokazali, jak zbudować bardzo wydajne, silnie skupione anteny radarowe w małej, płaskiej formie, używając narzędzi i materiałów kompatybilnych z masową produkcją elektroniki. Pozwalając optymalizatorowi opartemu na AI kierować szczegółową geometrią, uzyskują projekty przewyższające wiele istniejących rozwiązań przy jednoczesnym kontrolowaniu kosztów i rozmiaru. Te anteny o stałej wiązce są szczególnie dobrze dopasowane do typowych zadań wspomagania kierowcy, takich jak wykrywanie martwego pola, ostrzeganie o ruchu poprzecznym z tyłu, asysty parkowania czy średniozasięgowe wykrywanie przednie. W miarę jak samochody będą coraz bardziej integrowane z siecią IoT — dzieląc się danymi radarowymi z innymi pojazdami i infrastrukturą — takie kompaktowe, wysokowydajne anteny będą kluczowym elementem bardziej bezpiecznych i świadomych systemów transportowych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: radar samochodowy, macierz antenowa, 24 GHz, Internet rzeczy, optymalizacja AI