Compact antenna arrays for efficient direction of arrival estimation

Guimarães Pralon, Mariana

In recent years, a modern topic that has received major attention in diverse areas of research is the miniaturization of communication and non-communication devices. Society has demanded increasingly smaller and more compact equipments that allow for mobility with lower level of effort. Fields of research that have recently demanded compactness of devices include radio emitter localization, and more specifically, the localization in terms of Direction of Arrival (DoA), also referred to as direction finding. Applications for direction finding include RADAR systems, channel sounding, satellite navigation, and security applications, among others. High-resolution direction finding systems include a receiving array of antennas responsible to capture the impinging signals and feed the output to a DoA estimator. Miniaturization of such systems is accomplished by optimizing the antenna array with respect to the total volume occupied. There are two possible outcomes of array miniaturization: reduced size and lighter individual sensors or placement of elements in the array closer together. The second solution for compactness implies inter-element spacing smaller than half of the free-space wavelength, giving rise to stronger mutual coupling in the array, which causes adverse effects such as radiated far-fields pattern distortion, reduced bandwidth, and power and polarization mismatch. The contribution of this thesis is to show how the impairment that arises from strong electromagnetic interaction between neighboring elements in compact arrays affects the antenna capabilities for direction finding. We propose a solution to decouple and match compact antenna arrays, which is based on an eigenmode decomposition approach for the design of Decoupling and Matching Networks (DMN) comprised of distributed elements. We demonstrate the benefits of using the proposed DMN, to restore impairment caused by compactness, for direction finding of emitters in diverse scenarios. With the aim of evaluating and optimizing antenna arrays for direction finding based applications, we propose a workbench that connects the antenna design parameters to performance metrics for DoA estimation. Although the proposed decoupling and matching technique significantly enhances the direction finding performance of compact arrays, the frequency bandwidth may still be a limiting factor. This thesis contributes to this issue by proposing a multiband antenna array comprised of sub-arrays optimized for different frequencies. As an outlook, we evaluate wideband antenna arrays comprised of magnetic loops with respect to DoA estimation acuracy and discuss possible solutions for matching and decoupling over a wide frequency bandwidth.

Ein wissenschaftliches Thema, welches in den letzten Jahren in den verschiedensten Bereichen der Forschung große Aufmerksamkeit erlangt hat, ist die Miniaturisierung von elektronischen Geräten insbesondere in den Anwendungsfeldern Kommunikation und Ortung. Die Gesellschaft und der zunehmende Grad der digitalen Industrialisierung fordern immer kleinere und kompaktere Geräte, die die Mobilität mit möglichst geringerem Aufwand ermöglichen. Forschungsgebiete, die eine besondere Kompaktheit von Geräten fordern, umfassen die Lokalisierung/Ortung von Radioemissionen und genauer die Bestimmung dessen Richtungsinformation (Direction of Arrival, kurz DoA). Klassische Anwendungen für die Richtungserkennung sind RADAR-Systeme, Channelsounding, Satellitennavigation oder Sicherheitsanwendungen. Hochauflösende Richtungssuchsysteme bestehen aus einem Empfangsantennenarray, welches für die Erfassung der ausgesendeten Signale und deren Weiterleitung zum DoA-Schätzer verantwortlich ist. Die Miniaturisierung derartiger Systeme erfolgt durch Optimierung der Antennenanordnung bezüglich des eingenommenen Gesamtvolumens. Es gibt zwei mögliche Ansätze zur Antennenminiaturisierung: reduzierte Größe und leichtere individuelle Sensoren oder dichtere Platzierung der Elemente innerhalb des Antennenarrays. Die zweite Lösung impliziert einen Elementabstand, der kleiner als die Hälfte der Freiraumwellenlänge ist. Dies führt zu einer stärkeren gegenseitigen Kopplung in dem Antennenarray und somit nachteilige Effekte, wie zum Beispiel eine Verzerrung der Fernfeldantenneneigenschaften, verringerte Bandbreite und Leistung- sowie Polarisationsdiskrepanz. Diese Arbeit soll zeigen, wie die Beeinträchtigung, die durch starke elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen benachbarten Elementen in kompakten Anordnungen entsteht, die Fähigkeiten des Antennenentwurfs für die Richtungsfindung beeinflusst. Es wird eine Lösung zur Entkopplung und Anpassung kompakter Antennenarrays vorgeschlagen, die auf einem Eigenmodenzerlegungsansatz für den Entwurf von Entkopplungs- und Anpassungsnetzwerken (Decoupling and Matching Network, kurz DMN) basiert. Die Vorteile dieses Ansatzes werden in verschiedenen Szenarien für den Anwendungsfall der Richtungsfindung demonstriert. Mit dem Ziel, Antennenarrays für richtungsbezogene Anwendungen zu evaluieren und zu optimieren, wird ein Entwurfsfluss vorgeschlagen, der die Parameter der Antennenkonfiguration mit den Kenngrößer einer DoA-Schätzung verbindet. Obwohl die vorgeschlagene Entkopplungs- und Anpassungstechnik die Leistungsfähigkeit der Richtungsfindung mittels kompakter Anordnungen beträchtlich verbessert, kann die Frequenzbandbreite immer noch ein begrenzender Faktor sein. Diese Dissertation trägt zu diesem Thema bei, indem sie ein Mehrbandantennenarray vorschlägt, dass aus Subarrays besteht, die für verschiedene Frequenzen optimiert sind. Als Ausblick wird ein Breitbandantennenarray aus magnetischen Schleifen in Bezug auf die DoA Schätzgenauigkeit untersucht und mögliche Lösungen für die Anpassung und Entkopplung über eine große Frequenzbandbreite diskutiert.

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Pralon, Mariana: Compact antenna arrays for efficient direction of arrival estimation. Ilmenau 2017.

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