Metallized Plastic Waveguide Antenna Solutions for Next-Generation Automotive Radar Systems

The automotive industry has significantly focused on developing reliable driving assistance systems, with radar sensors emerging as key components for autonomous driving, thanks to their robust performance in adverse environmental conditions and competitive pricing compared to LiDAR and cameras. The performance and capabilities of these radar systems, however, are critically dependent on the chosen antenna technology. While planar antennas, like microstrip arrays, are easily integrated into automotive radar systems, their efficiency and bandwidth are limited by dielectric losses, thereby restricting angular accuracy, range resolution, and detection distance. Waveguide antennas, designed to reduce losses by guiding electromagnetic signals through air, unfortunately face challenges such as their high cost and complex integration with the PCB, sensor, and vehicle, which have historically prevented their adoption in mass-produced sensors. This thesis directly addresses the challenges that prevent waveguide antennas from becoming a viable alternative to planar antennas in mass-produced automotive sensors. We began by analyzing existing radar sensor architectures and antenna requirements, with a particular emphasis on multiport MIMO configurations and their feasibility for mass production. Metallized plastic injection molding technology, which combines precision molding with physical vapor deposition and soldering, was developed as a scalable and cost-effective fabrication method for high-frequency waveguides. To demonstrate its capabilities and scalability, a series of compact multilayer waveguide antenna arrays were designed for diverse automotive radar specifications, including different linear polarizations (e.g., vertical, horizontal, or 45 slanted), proving the technology's design flexibility. With the fabrication technology's mass-production potential established, the critical need for a robust PCB-to-waveguide antenna interconnection became evident. To overcome this, a novel MMIC-to-waveguide interconnection technique was developed. This innovative approach eliminates the need for high-end substrates by employing air-filled transitions, incorporating polarization diversity and electromagnetic bandgap structures. This enables a minimized MMIC footprint while maintaining an interconnection coupling below -40 dB under antenna-PCB assembly tolerance scenarios, significantly outperforming prior art in compactness and reliability. Subsequently, this technique was rigorously validated through both passive and active radar system measurements conducted under realistic tolerance scenarios. A key finding was that the active radar system, employing the proposed waveguide antenna, achieved a 4.7 dB gain in link budget when compared to traditional PCB-based radar systems. This highlights the superior efficiency and compactness of the proposed waveguide antenna, all while ensuring robust performance in terms of coupling, radiation pattern, and frequency stability. Beyond internal sensor performance, optimizing vehicle integration is crucial for the widespread adoption of waveguide antennas. Unlike PCB antennas which can leverage mixed-material metasurfaces for radar cross-section (RCS) reduction, cost-effective waveguide antennas primarily rely on metallic surfaces. To address this, we proposed novel mitigation techniques to reduce the RCS of surfaces and multiport MIMO waveguide antennas, based on randomized metasurfaces. To complete the integration scheme, the concept of waveguide-in-radome integration was evaluated. This innovative approach involves seamlessly embedding the waveguide antenna within a partially metallic radome, which significantly reduces the number of required sensor components while preserving the broadband efficiency and high-performance characteristics inherent to waveguide antennas. RESUMEN La industria automotriz se ha centrado significativamente en el desarrollo de sistemas confiables de asistencia a la conducción. Los sensores de radar han emergido como componentes clave para la conducción autónoma, gracias a su rendimiento robusto en condiciones ambientales adversas y a su precio competitivo en comparación con los sensores LiDAR y las cámaras. Sin embargo, el rendimiento de estos sistemas de radar dependen de la tecnología de antena elegida. Si bien las antenas planas son fáciles de integrar en estos sistemas, su eficiencia y ancho de banda están limitados por las pérdidas dieléctricas, lo que restringe la precisión angular, la resolución de distancia y el alcance de detección. Las antenas de guía de onda, reducen las pérdidas guiando las señales electromagnéticas a través del aire, desafortunadamente enfrentan desafíos como su alto costo y compleja integración con la PCB, el sensor y el vehículo, lo que históricamente ha impedido su adopción en sensores de producción masiva. Esta tesis aborda los desafíos que impiden que las antenas de guía de onda se conviertan en una alternativa a las antenas planares en los sensores automotrices. Comenzamos analizando las arquitecturas de sensores de radar y los requisitos de las antenas, con un énfasis particular en las configuraciones MIMO y su viabilidad para la producción masiva. La tecnología de moldeo por inyección de plástico metalizado, que combina el moldeo de precisión con la metalización y la soldadura, se ha desarrollado como un método de fabricación escalable y rentable para guías de onda de alta frecuencia. Para demostrar sus capacidades, se diseñó una serie de antenas para diversas especificaciones, incluyendo diferentes polarizaciones lineales, demostrando la flexibilidad de la tecnología. Una vez establecida las capacidades de esta tecnología de fabricación, la necesidad de una interconexión robusta entre la PCB y la antena de guía de onda es evidente. Se desarrolló una novedosa técnica de interconexión MMIC a guía de onda. Este enfoque elimina la necesidad de sustratos de bajas pérdidas al emplear transiciones basadas en aire, incorporando diversidad de polarización y estructuras de banda prohibida. Esto permite reducir las dimensiones del MMIC mientras se mantiene un acoplamiento entre canales por debajo de -40 dB en escenarios de tolerancia, superando al estado del arte anterior en compacidad y fiabilidad. Posteriormente, esta técnica fue validada mediante mediciones de sistemas de radar tanto pasivos como activos, realizadas bajo escenarios de tolerancia realistas. Un hallazgo clave fue que el sistema de radar activo, empleando la antena de guía de onda propuesta, logró una ganancia de 4.7 dB en el ratio de señal a ruido en comparación con los sistemas de radar tradicionales basados en PCB. Esto resalta la eficiencia superior y la compacidad de la antena de guía de onda propuesta, todo ello garantizando un rendimiento robusto en términos de acoplamiento, patrón de radiación y estabilidad de frecuencia. Más allá del rendimiento interno del sensor, la optimización de la integración en el vehículo es crucial para la adopción de las antenas de guía de onda. A diferencia de las antenas de PCB que pueden aprovechar metasuperficies de materiales mixtos para la reducción de la sección radar (RCS), las antenas de guía de onda se basan en superficies metálicas. Para abordar esto, propusimos nuevas técnicas de mitigación para reducir la RCS de superficies y antenas MIMO de guía de onda, basadas en metasuperficies aleatorizadas. Para completar la integración, también se evaluó el concepto de integración de guía de onda en radomo. En este enfoque, la antena de guía de onda se construye dentro de un radomo parcialmente metálico. Esta solución reduce significativamente el número de componentes de sensor requeridos, preservando al mismo tiempo la eficiencia de banda ancha y las características de alto rendimiento inherentes a las antenas de guía de onda.