Compact antenna arrays for efficient direction of arrival estimation

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

Ein Beitrag zur effizienten Richtungsschätzung mittels Antennenarrays

Sicherlich gibt es nicht den einen Algorithmus zur Schätzung der Einfallsrichtung elektromagnetischer Wellen. Statt dessen existieren Algorithmen, die darauf optimiert sind Hunderte Pfade zu finden, mit uniformen linearen oder kreisförmigen Antennen-Arrays genutzt zu werden oder möglichst schnell zu sein. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit letzterer Art. Wir beschränken uns jedoch nicht auf den reinen Algorithmus zur Richtungsschätzung (RS), sondern gehen das Problem in verschiedener Hinsicht an. Die erste Herangehensweise befasst sich mit der Beschreibung der Array-Mannigfaltigkeit (AM). Bisherige Interpolationsverfahren der AM berücksichtigen nicht inhärent Polarisation. Daher wird separat für jede Polarisation einzeln interpoliert. Wir übernehmen den Ansatz, eine diskrete zweidimensionale Fouriertransformation (FT) zur Interpolation zu nutzen. Jedoch verschieben wir das Problem in den Raum der Quaternionen. Dort wenden wir eine zweidimensionale diskrete quaternionische FT an. Somit können beide Polarisationszustände als eine einzige Größe betrachtet werden. Das sich ergebende Signalmodell ist im Wesentlichen kompatibel mit dem herkömmlichen komplexwertigen Modell. Unsere zweite Herangehensweise zielt auf die fundamentale Eignung eines Antennen-Arrays für die RS ab. Zu diesem Zweck nutzen wir die deterministische Cramér-Rao-Schranke (Cramér-Rao Lower Bound, CRLB). Wir leiten drei verschiedene CRLBs ab, die Polarisationszustände entweder gar nicht oder als gewünschte oder störende Parameter betrachten. Darüber hinaus zeigen wir auf, wie Antennen-Arrays schon während der Design-Phase auf RS optimiert werden können. Der eigentliche Algorithmus zur RS stellt die letzte Herangehensweise dar. Mittels einer MUSIC-basierte Kostenfunktion leiten wir effiziente Schätzer ab. Hierfür kommt eine modifizierte Levenberg- bzw. Levenberg-Marquardt-Suche zum Einsatz. Da die eigentliche Kostenfunktion hier nicht angewendet werden kann, ersetzen wir diese durch vier verschiedene Funktionen, die sich lokal ähnlich verhalten. Diese Funktionen beruhen auf einer Linearisierung eines Kroneckerproduktes zweier polarimetrischer Array-Steering-Vektoren. Dabei stellt sich heraus, dass zumindest eine der Funktionen in der Regel zu sehr schneller Konvergenz führt, sodass ein echtzeitfähiger Algorithmus entsteht.It is save to say that there is no such thing as the direction finding (DF) algorithm. Rather, there are algorithms that are tuned to resolve hundreds of paths, algorithms that are designed for uniform linear arrays or uniform circular arrays, and algorithms that strive for efficiency. The doctoral thesis at hand deals with the latter type of algorithms. However, the approach taken does not only incorporate the actual DF algorithm but approaches the problem from different perspectives. The first perspective concerns the description of the array manifold. Current interpolation schemes have no notion of polarization. Hence, the array manifold interpolation is performed separately for each state of polarization. In this thesis, we adopted the idea of interpolation via a 2-D discrete Fourier transform. However, we transform the problem into the quaternionic domain. Here, a 2-D discrete quaternionic Fourier transform is applied. Hence, both states of polarization can be viewed as a single quantity. The resulting interpolation is applied to a signal model which is essentially compatible to conventional complex model. The second perspective in this thesis is to look at the fundamental DF capability of an antenna array. For that, we use the deterministic Cramér-Rao Lower Bound (CRLB). We point out the differences between not considering polarimetric parameters and taking them as desired parameters or nuisance parameters. Such differences lead to three different CRLBs. Moreover, insight is given how a CRLB can be used to optimize an antenna array already during the design process to improve its DF performance. The actual DF algorithm constitutes the third perspective that is considered in this thesis. A MUSIC-based cost function is used to derive efficient estimators. To this end, a modified Levenberg search and Levenberg-Marquardt search are employed. Since the original cost function is not eligible to be used in this framework, we replace it by four different functions that locally show the same behavior. These functions are based on a linearization of Kronecker products of two polarimetric array steering vectors. It turns out that at least one of these functions usually exhibits very fast convergence leading to real-time capable algorithms

Cooperative Radio Communications for Green Smart Environments

The demand for mobile connectivity is continuously increasing, and by 2020 Mobile and Wireless Communications will serve not only very dense populations of mobile phones and nomadic computers, but also the expected multiplicity of devices and sensors located in machines, vehicles, health systems and city infrastructures. Future Mobile Networks are then faced with many new scenarios and use cases, which will load the networks with different data traffic patterns, in new or shared spectrum bands, creating new specific requirements. This book addresses both the techniques to model, analyse and optimise the radio links and transmission systems in such scenarios, together with the most advanced radio access, resource management and mobile networking technologies. This text summarises the work performed by more than 500 researchers from more than 120 institutions in Europe, America and Asia, from both academia and industries, within the framework of the COST IC1004 Action on "Cooperative Radio Communications for Green and Smart Environments". The book will have appeal to graduates and researchers in the Radio Communications area, and also to engineers working in the Wireless industry. Topics discussed in this book include: • Radio waves propagation phenomena in diverse urban, indoor, vehicular and body environments• Measurements, characterization, and modelling of radio channels beyond 4G networks• Key issues in Vehicle (V2X) communication• Wireless Body Area Networks, including specific Radio Channel Models for WBANs• Energy efficiency and resource management enhancements in Radio Access Networks• Definitions and models for the virtualised and cloud RAN architectures• Advances on feasible indoor localization and tracking techniques• Recent findings and innovations in antenna systems for communications• Physical Layer Network Coding for next generation wireless systems• Methods and techniques for MIMO Over the Air (OTA) testin

Cooperative Radio Communications for Green Smart Environments

The demand for mobile connectivity is continuously increasing, and by 2020 Mobile and Wireless Communications will serve not only very dense populations of mobile phones and nomadic computers, but also the expected multiplicity of devices and sensors located in machines, vehicles, health systems and city infrastructures. Future Mobile Networks are then faced with many new scenarios and use cases, which will load the networks with different data traffic patterns, in new or shared spectrum bands, creating new specific requirements. This book addresses both the techniques to model, analyse and optimise the radio links and transmission systems in such scenarios, together with the most advanced radio access, resource management and mobile networking technologies. This text summarises the work performed by more than 500 researchers from more than 120 institutions in Europe, America and Asia, from both academia and industries, within the framework of the COST IC1004 Action on "Cooperative Radio Communications for Green and Smart Environments". The book will have appeal to graduates and researchers in the Radio Communications area, and also to engineers working in the Wireless industry. Topics discussed in this book include: • Radio waves propagation phenomena in diverse urban, indoor, vehicular and body environments• Measurements, characterization, and modelling of radio channels beyond 4G networks• Key issues in Vehicle (V2X) communication• Wireless Body Area Networks, including specific Radio Channel Models for WBANs• Energy efficiency and resource management enhancements in Radio Access Networks• Definitions and models for the virtualised and cloud RAN architectures• Advances on feasible indoor localization and tracking techniques• Recent findings and innovations in antenna systems for communications• Physical Layer Network Coding for next generation wireless systems• Methods and techniques for MIMO Over the Air (OTA) testin