Compact adaptive planar antenna arrays for robust satellite navigation systems

Butt, Safwat Irteza

In den zurückliegenden zwei Jahrzehnten ist die Abhängigkeit der Industriegesellschaft von satellitengestützten Ortungssystemen, Navigationsdiensten und Zeitsignalen dramatisch gewachsen. Darauf aufbauende moderne Anwendungen reichen von hochgenauen Ortungsgeräten bis zu intelligenten Transportsystemen und von der Synchronisation mobiler Netzwerke zu Wetter- und Klimabeobachtung. Dies setzt neue höhere Standards in der Robustheit, Genauigkeit, Verfügbarkeit und Verlässlichkeit moderner Navigationsempfänger voraus. Möglich werden diese Verbesserungen aktuell mit der Einführung von Multiantennensystemen in den Navigationsgeräten. Jedoch wird die Nutzung dieses Ansatzes durch die größeren Abmessungen der Antennenarrays erschwert, weil standardmäßig der Elementabstand zu einer halben Freiraumwellenlänge gewählt wird, was im L Band ca. 10 cm bedeutet. In dieser Arbeit werden kompakte Antennenarrays für Navigationsempfänger mit geringerem Elementabstand vorgeschlagen, die eine Miniaturisierung der Empfängerabmessungen erlauben. Diese kompakten Arrays werden in ihrer Leistungsfähigkeit jedoch durch die negativen Effekte der Verkopplung zwischen den Einzelelementen beeinträchtigt. Für die Beurteilung der Empfängerleistungsfähigkeit existieren verschiedene Qualitätsparameter für Analyse und Entwurf der planaren Arrays. Damit werden z. B. Diversity Freiheitsgrade, Qualität der Richtungsschätzung, Polarisationsreinheit und die wechselseitigen Kopplungen gemessen und eine Entwurfsumgebung wird vorgestellt, in der das optimale kompakte Antennenarray für den jeweiligen Einsatzzweck ausgewählt und konfiguriert werden kann. Dieser Prozess wird durch eine Analyse des Rauschens und seiner Korrelationseigenschaften für den gesamten Empfänger begleitet. Darüber hinaus wird ein analytisches Modell des effektiven carrier-to-interference-plus-noise ratio abgeleitet, um die Leistungsfähigkeit der Navigationsempfänger in Szenarien mit Störsignalen zu untersuchen. Schließlich werden diese Betrachtungen durch den Aufbau eines kompletten Satellitennavigationsempfängers ergänzt, um mit ihm den Nachweis der Funktionsfähigkeit und der stabilen Funktion des entworfenen Systems mit kompaktem Array unter Störereinfluss bei Laborbedingungen und in den reale Außeneinsatz zu erbringen.

Over the past two decades, humankind's reliance on global navigation satellite systems for precise positioning, navigation and timing services has grown remarkably. Such advanced applications vary from highly accurate surveying to intelligent transport systems, and from mobile network timing synchronization to weather and climate monitoring. This envisages new and higher standards of robustness, accuracy, coverage and integrity in modern navigation receivers. Recently, this has been accomplished with the incorporation of the multi-element navigation antenna receiver. However, the industrialization of this approach is limited due to the large antenna array size, hindered by the inter-element separation of half of the free-space wavelength, i.e. ≈ 10 cm at L band 1-2 GHz. In this thesis, compact navigation antenna arrays with smaller inter-element separations are proposed for the miniaturization of the overall size. However, these arrays become afflicted with the adverse effects of mutual coupling. Therefore, various figures-of-merit for the analysis and design of a compact planar navigation antenna array, such as performance diversity degrees-of-freedom, directional finding capabilities, and polarization purity, including mutual coupling effects, have been presented. This provides a general framework for the selection and configuration of the optimum compact navigation antenna array. In order to mitigate the mutual coupling, integration of the decoupling and matching network into customized compact navigation antenna array designs is performed. This is fostered by the correlated noise characterization of the complete receiver. Furthermore, an analytical model of the equivalent carrier-to-interference-plus-noise ratio is derived to investigate the navigation performance in interference scenarios. In the end, this is complemented by the implementation of the complete navigation receiver for verification and robustness validation of the derived compact antenna array concepts in indoor and outdoor interference scenarios.

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Butt, Safwat: Compact adaptive planar antenna arrays for robust satellite navigation systems. Ilmenau 2016.

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