Untersuchung von Gruppenantennen für den Einsatz in aktiven Antennensystemen

Freese, Jens (2008)
Untersuchung von Gruppenantennen für den Einsatz in aktiven Antennensystemen.
Technische Universität Darmstadt
Ph.D. Thesis, Primary publication

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Item Type:

Ph.D. Thesis

Type of entry:

Primary publication

Title:

Untersuchung von Gruppenantennen für den Einsatz in aktiven Antennensystemen

Language:

German

Referees:

Jakoby, Prof. Dr.- Rolf ; Gershman, Prof. Dr.- Alex B.

Date:

17 August 2008

Place of Publication:

Darmstadt

Date of oral examination:

28 August 2007

Abstract:

In drahtlosen Übertragungs- und Sensorsystemen kommt dem verwendeten Antennensystem eine Schlüsselrolle zu. Werden bei einer Gruppenantenne die Signale aller Gruppenelemente parallel einer digitalen Signalverarbeitung zugeführt, wird die Anordnung als aktives Antennensystem bezeichnet. Durch die Kombination solcher Antennensysteme mit entsprechenden Verfahren der Signalverarbeitung ist eine nennenswerte Steigerung der Leistungsfähigkeit drahtloser Übertragungs- und Sensorsysteme möglich. Die Betrachtung des Einflusses der gewählten Gruppenkonfiguration, d.h. der verwendeten Strahlerelemente und deren Anordnung innerhalb der Gruppe, auf die Eigenschaften eines aktiven Antennensystems steht im Mittelpunkt dieser Arbeit. Durch die parallele Ausführung der Signalpfade vom Antennenelement bis zur digitalen Weiterverarbeitung entsteht ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen der verwendeten Antennengruppe und dem Vorgehen bei der Signalauswertung sowie den damit erreichbaren Ergebnissen. Ausgehend von der Suche nach optimalen Antennenkonfigurationen für spezielle Anwendungen entstehen Lösungsansätze aus der Antennen- und der Signaltheorie. Die vorliegende Arbeit liefert Beiträge zu beiden Themengebieten und darüber hinaus zu der bisher nur relativ wenig beachteten Schnittstelle dieser Themengebiete. Der Schwerpunkt der ersten Hälfte der Arbeit liegt in der analytischen Betrachtung allgemeiner Gruppenkonfigurationen. Nach der Einführung einer systemtheoretischen Formulierung für allgemeine Gruppenantennen, werden Kenngrößen zur quantitativen Erfassung des Sichtbereiches und der Richtungsauflösung abgeleitet, die den systematischen Vergleich von Gruppenkonfigurationen in aktiven Antennensystemen ermöglichen. Weiterhin werden Wege zur Vorverarbeitung der Sensorsignale, z.B. zur Kompensation von Fehlern in realen Antennensystemen, betrachtet. Der zweite Teil der Arbeit kombiniert die allgemeingültigen Ergebnisse der analytischen Betrachtungen mit Methoden zur Synthese der Strahlerelemente für den Entwurf von drei speziellen Antennensystemen. Im ersten Fall steht die Nutzung einer Kreisgruppe aus Monopolen für Funkkanalmessungen im Vordergrund. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Kalibrierung der Antenne und der Untersuchung verschiedener Verfahren zur effizienten Schätzung relevanter Kanalparameter. Für das zweite untersuchte Antennensystem ist ein sehr breiter Sichtbereich gefordert, während im dritten Fall ein gezielt eingeschränkter Winkelbereich abzudecken ist. Da beide Antennengruppen mit Blick auf eine Anwendung in kommerziellen Sensor- und Übertragungssystemen konzipiert werden, erfolgt die Realisierung in der kostengünstigen Mikrostreifenleitungstechnik. In beiden Fällen werden für die Synthese speziell entwickelte Modelle angewendet, um die Verwendung von zeitintensiven Feldsimulationen zu umgehen. Abschließend erfolgt die Evaluation von Verfahren zur Kalibrierung und Richtungsschätzung, die jeweils den Eigenschaften der entsprechenden Antennengruppe Rechnung tragen. Die Ergebnisse der eingeführten integralen Betrachtung von relevanten Themen aus der Signal- und der Antennentheorie für den Entwurf aktiver Antennensysteme können auf der gesamten thematischen Breite eine Unterstützung bei der Festlegung optimaler Gruppenkonfigurationen für solche Systeme bieten.

Alternative Abstract:

Alternative Abstract

Language

Antennas are key components in wireless communication and sensor systems. Antenna systems that comprise of multiple radiating elements and radio frequency circuits to connect each element to a signal processing unit are referred to as active array antenna systems. The combination of such antenna systems with appropriate signal processing procedures leads to a considerable improvement of the performance of wireless communication and sensor systems. The main objective of this work is to investigate the influence of the employed array configuration, i.e. the used radiating elements and their arrangement, on the properties of an active array antenna system. Due to the system architecture with multiple signal paths between the radiating elements and the signal processing part, there is a direct link from the array configuration to the best suited signal processing approach and the achievable performance. Based on the search for an optimized array configuration with respect to a special application, appropriate solutions are developed that originate from antenna and signal processing theory. This work supplies contributions to relevant topics from both, antenna and signal theory as well as the respective interface, that up to now only few attention has been paid to. The focus of the first part of this work is in the analytic view of fundamental antenna array configurations. After the introduction of a system-theoretical formulation for general array antennas, figures are defined for a quantitative evaluation of the antennas field of view and the suitability for direction of arrival estimation. These figures enable a systematic comparison of array configurations in active array antenna systems. Furthermore, different ways are investigated for pre-processing the sensor signals, e.g. for the compensation of errors in real antenna systems. The second part of the work combines the gained theoretical insight with methods for the synthesis of radiating elements to develop three specific antenna systems. In the first case the focus is on a circular array of monopoles for mobile radio channel measurements. The emphasis is on the calibration of the antenna and the investigation of procedures for an efficient estimation of relevant channel parameters from measured data. In the case of the second examined antenna system a very broad visible range is demanded, while in the third case a reduced field of view is aimed for. Since both antenna arrays are designed for applications in commercial sensor or wireless communication systems, the low-cost microstrip technology is chosen for the realization of the radiating elements. In both cases the synthesis of the radiating elements is supported by specifically developed models, in order to avoid the use of time consuming numeric field simulations during the optimization. Finally, procedures are evaluated for antenna calibration as well as for direction of arrival estimation, that consider the characteristics of the respective antenna configuration in each case. The results of the introduced integral investigation of aspects from signal processing and antenna theory for the design of active array antenna systems will offer a support within the entire thematic range for the specification of optimized array configurations in such systems.

English

Uncontrolled Keywords:

Hochfrequenztechnik, Antennen, Signalverarbeitung

Alternative keywords: