Theory and design of uniform concentric spherical arrays with frequency invariant characteristics

IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, Toulouse, France, 14-19 May 2006This paper proposes a new digital beamformer for uniform concentric spherical array (UCSA) having nearly frequency invariant (FI) characteristics. The basic principle is to transform the received signals to the phase mode and remove the frequency dependency of the individual phase mode through the use of a digital beamforming network. It is shown that the far field pattern of the array is determined by a set of weights and it is approximately invariant over a wide range of frequencies. FI UCSAs are electronic steerable in both the azimuth angle and elevation angle, unlike their concentric circular array counterpart. A design example is given to demonstrate the design and performance of the proposed FI UCSA. © 2006 IEEE.published_or_final_versio

Theory and design of uniform concentric circular arrays with frequency invariant characteristics

This paper proposes a new digital beamformer for uniform concentric circular array (UCCA) having nearly frequency invariant (FI) characteristics. The basic principle is to transform the received signals to the phase mode and remove the frequency dependency of the individual phase mode through the use of a digital beamforming network. The far field pattern of the array is determined by a set of weights and it is approximately invariant over a wide range of frequencies. Compared with FI uniform circular array (UCA), FI UCCAs are able to achieve a wider bandwidth. Design examples are given to demonstrate the principle of the proposed UCCA-FIB and its application to broadband DOA estimation of coherent sources. © 2005 IEEE.published_or_final_versio

Adaptive beamforming using uniform concentric circular arrays with frequency invariant characteristics

This paper proposes a new method for adaptive beamforming using uniform concentric circular array (UCCA) that has nearly frequency invariant (FI) characteristics. The basic principle of FI UCCA is to transform the received signals to the phase mode and compensate for the frequency dependency of the individual phase mode through the use of a digital beamforming network. The far field pattern of the array is then determined by a set of weights and it is approximately invariant over a wide range of frequencies. Therefore, the minimum variance beamforming (MVB) approach can be used to adapt the small set of weights, as if it is a narrowband array, Design examples and simulation are given to demonstrate the usefulness of the proposed FI UCCA in broadband DOA estimation and beamforming. © 2005 IEEE.published_or_final_versio

Adaptive beamforming using frequency invariant uniform concentric circular arrays

This paper proposes new adaptive beamforming algorithms for a class of uniform concentric circular arrays (UCCAs) having near-frequency invariant characteristics. The basic principle of the UCCA frequency invariant beamformer (FIB) is to transform the received signals to the phase mode representation and remove the frequency dependence of individual phase modes through the use of a digital beamforming or compensation network. As a result, the far field pattern of the array is electronic steerable and is approximately invariant over a wider range of frequencies than the uniform circular arrays (UCAs). The beampattern is governed by a small set of variable beamformer weights. Based on the minimum variance distortionless response (MVDR) and generalized sidelobe canceller (GSC) methods, new recursive adaptive beamforming algorithms for UCCA-FIB are proposed. In addition, robust versions of these adaptive beamforming algorithms for mitigating direction-of-arrival (DOA) and sensor position errors are developed. Simulation results show that the proposed adaptive UCCA-FIBs converge much faster and reach a considerable lower steady-state error than conventional broadband UCCA beamformers without using the compensation network. Since fewer variable multipliers are required in the proposed algorithms, it also leads to lower arithmetic complexity and faster tracking performance than conventional methods. © 2007 IEEE.published_or_final_versio

FIR-Filter basierte Steuerung von ultrabreitbandigen Gruppenantennen

Die drahtlose Übertragung von Daten nimmt in unserem Alltag einen immer größer werdenden Stellenwert ein, und es ist zu erwarten, dass der Trend zu drahtlosen Systemen auch in der Zukunft anhält und weitere Anwendungen hinzukommen. Dabei dürfen sich die unterschiedlichen Systeme und Dienste nicht gegenseitig stören, was sehr restriktive Vorgaben zur Nutzung der ein­zelnen Frequenzbänder erfordert und zu einer zunehmenden Frequenzknapp­heit führt. Dazu kommt, dass ein regelrechter Andrang auf lizenzfreie Fre­quenzbänder stattfindet, was den Effekt noch weiter verstärkt. Aus diesem Grund ist in jüngster Zeit die sogenannte Ultra Wideband-Technik (UWB) sehr populär geworden, die gegenüber herkömmlichen drahtlosen Systemen einige Vorteile aufweist. Die Nutzung des UWB-Frequenzbandes ist in den USA im Jahre 2002 sehr restriktiv durch die Federal Communications Commission (FCC) reglemen­tiert worden. Kern der Bestimmungen ist eine Frequenzmaske mit sehr gerin­ger spektraler Leistungsdichte. Dies stellt hohe Anforderungen an UWB-Sys­teme und eine konsequente Optimierung hinsichtlich der Systemempfindlich­keit, Effizienz und Reichweitenerhöhung. Eine Erhöhung des Gewinns (am Empfänger) wäre wünschenswert, führt bei Verwendung von aktiven Elemen­ten jedoch auch zu einer Erhöhung der Rauschleistung. Eine andere Möglich­keit ist die Verwendung von mehreren Empfangsantennen, auch Gruppenan­tenne genannt, da der Gewinn unter idealen Voraussetzungen mit der Anzahl der Elemente steigt, während die Rauschleistung gleich bleibt. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur elektronischen Strahlformung ultrab­reitbandiger Signale vorgestellt. Ein FIR-Filter basiertes Strahlformungsnetz­werk wird dabei so erweitert, dass reale Einflüsse durch die Antennenelemen­te berücksichtigt werden können. Berechnungsgrundlagen werden für lineare und zirkulare Anordnungen der Antennenelemente vorgestellt. Ferner wird ein einfaches Konzept für ein analoges, elektronisch steuerbares FIR-Filter für den Mikrowellen-Frequenzbereich entwickelt und anhand eines vierstufi­gen Aufbaus in hybrider MIC-Technologie experimentell überprüft. Auf die­ser Basis wird ein Echtzeit-Demonstrator, bestehend aus einer zirkularen Gruppenantenne mit vier Elementen und fest eingestellten FIR-Filtern als Strahlformungsnetzwerk aufgebaut und für den Frequenzbereich von 1,5 GHz bis 2 GHz messtechnisch charakterisiert. Ein derartiges Experiment wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmalig umgesetzt