Design and testing of compact dual-band dual-polarized robust satellite navigation antenna arrays

Ibraheam, Maysam GND

Die steigende Nachfrage nach präzisen Positionierlösungen für hochautomatisiertes Fahren und sicherheitskritische Anwendungen führt zu der Verwendung von Array-basierten Satellitennavigationsempfängern, die aufgrund des verbesserten Diversity-Gewinns und der potentiellen Strahlformungsfähigkeit eine bessere Leistung aufweisen. Die Notwendigkeit, die Robustheit von Navigationsempfängern gegenüber Quellen von Signalstörungen, wie Mehrwegempfang, atmosphärische, sowie Jamming- und Spoofing, zu verbessern, verlangt, den Empfänger weiter auszubauen, um Polarisations- und Frequenz-Diversity auszunutzen. Das hieraus resultierende Design ist durch eine signifikante Zunahme der Hardware- und Softwarekomplexität gekennzeichnet. Diese Komplexität steigt noch mit dem Trend, den Navigationsempfänger zu miniaturisieren, um die Integration in Fahrzeugen oder mobilen Systemen zu erleichtern. Da die gegenseitige Verkopplung zwischen den Antennenelementen eines kompakten Antennen- Arrays steigt, verschlechtert sich deren Strahlungseffizienz und Polarisationsreinheit und damit die Systemrobustheit. In dieser Arbeit wird ein kompaktes, dualbandiges und dualpolarisiertes Antennenarray für einen Navigationsempfänger untersucht, schaltungstechnisch entworfen und aufgebaut, womit Array-, Frequenz-, und Polarisations-Diversity ermöglicht wird. Dies führt zu einer signifikant verbesserten Robustheit gegenüber den angesprochenen Störungen. Diese Arbeit umfasst das Design des dualbandigen und dualpolarisierten Patchantennenelements, das Design des kompakten Antennenarrays, das Studium der Kreuzpolarisationsquellen in Patchantennen, die Analyse des Einflusses der gegenseitigen Kopplung auf die Strahlungseffizienz und Polarisationsreinheit, und die Abschwächung beider Effekte durch eigenmode-basierten Entkopplungs- und Anpassungsnetzwerken. Darüber hinaus beinhaltet die Arbeit die Integration des Antennensystems mit einem HF-Frontend zur Leistungsverstärkung, Filterung und Signalkonvertierung der Satellitensignale. Die Arbeit umfasst auch die Integration mit einem Array-basierten digitalen Empfänger, in dem neben der Datenerfassung, auch die Richtungsschätzung, das Beamforming und die Anti-Jamming-Algorithmen implementiert wurden. Die Machbarkeit sowohl der Array-Diversity als auch der Polarisations-Diversity wurde in Automotive-related Feldmessungen bestätigt, insbesondere für Elevationswinkel unter 40 bzw. 60 Grad, wo der Einfluss des Mehrwegempfangs ausreichend hohe Pegel erreicht. Die Messungen bestätigten die Robustheit des Empfängers gegenüber Stör- Nutzsignalverhältnissen von bis zu 85 dB und übertrafen damit mehrere "State-of-the-Art" Empfänger.

The increasing demand for accurate positioning solutions for highly-automated driving and safety-critical applications motivates the use of array-based satellite navigation receivers that feature better performance, due to the enhanced diversity gain and the potential beamforming capability. The need for improving the robustness of navigation receivers against sources of signal distortion such as multipath propagation, atmospheric impact, jamming, and spoofing violations requests to extend the receiver to exploit polarization and frequency diversities. The resulting design is challenged by the significant rise in hardware and software complexity. This complexity increases even more with the trend to miniaturize the navigation receiver, to ease the integration in vehicles or mobile systems, because mutual coupling rises between the radiating elements of the receiver, and deteriorates their radiation efficiencies and polarization purities, and hence degrades the system robustness. In this thesis, a compact dual-band dual-polarized array-based navigation receiver that uses array diversity, frequency diversity, and polarization diversity is studied and designed, to provide robustness against the different types of distortions. The main contributions of the presented work include the design of the dual-band dual-polarized patch antenna element, the design of the compact antenna array, the study of the cross-polarization sources in patch antennas, the analysis of the mutual coupling impact on radiation efficiency and polarization purity of radiating elements, and the mitigation of both impacts using eigenmode-based decoupling and matching networks. Furthermore, the work also involves the integration of the antenna system with an RF-IF front-end, developed in cooperation with IMMS GmbH, for power amplification, filtering, and down-converting. The dissertation covers also the integration with an array-based digital receiver, developed in cooperation with RWTH Aachen University and the German Aerospace Center (DLR), to implement data acquisition, direction-of-arrival estimation, beamforming, and anti-jamming algorithms. The feasibility of both the array diversity and the polarization diversity was confirmed in automotive-related field measurements, particularly for elevations below 40 and 60 degrees, respectively; i.e., at directions far from the main beam direction of the even mode of the array (at zenith), and where the impact of multipath propagation on strength and polarization of the signal reaches sufficient levels to disturb the receiver. Measurements proved the receiver robustness against jamming-to-signal ratios up to 85 dB, outperforming several state-of-the-art receivers described in literature.

Cite

Citation style:
Ibraheam, M., 2020. Design and testing of compact dual-band dual-polarized robust satellite navigation antenna arrays. Ilmenau.
Could not load citation form. Default citation form is displayed.

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export