Evaluating Cramer-Rao Bound for Conformal Antenna Arrays with Directional Emitters for Doa-Estimation
Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування.
Переглянути архів Інформація| Поле | Співвідношення | |
| Title |
Evaluating Cramer-Rao Bound for Conformal Antenna Arrays with Directional Emitters for Doa-Estimation
Оценка границы Крамера-Рао выпуклых антенных решеток с направленными излучателями для радиопеленгации Оцінка границі Крамера-Рао випуклих антенних решіток з направленими виапромінювачами для радіопеленгації |
|
| Creator |
Nechaev, Yu. B.
Peshkov, I. V. Fortunova, N. A. |
|
| Description |
Introduction. The direction-of-arrival estimation of signal sources is of serious research interest in various fields. As an example, the coordinate information in three-dimensional space can be used for spatial diversity and filtering to increase concurrent users. The influence of the directivity coefficient of a separate antenna element on the accuracy of determining the angular coordinates of radio sources of circular, cubic and spherical antenna arrays consisting of directional radiating elements that have found the widest application in modern wireless communication technologies is investigated. Theoretical results. For the correct functioning of advanced radio direction-finding algorithms along with the antenna arrays under consideration the accurate expressions describing the amplitude-phase distribution of the electromagnetic field of the arrays have been derived, so-called steering vectors. The Cramer-Rao lower bound for estimating errors and accuracy of direction-of-arrival estimation is discussed for a number planar waves arriving on an antenna array consisting of directional elements. Experimental results. A theoretical study of the operation of these antenna arrays using the Cramer-Rao lower bound was carried out, as well as computer simulations with the implementation of the MUSIC superresolution method. The influence of the directivity factor of the individual antenna element on the accuracy of the direction-of-arrival estimation of the radio emission sources by using the circular (cylindrical), cubic and spherical antenna arrays consisting of the directional antenna elements was investigated. The limits of the change of the coefficient of directional action of a separate element, at which the maximum accuracy of an estimation of angular coordinates is achieved, is determined. It is shown that further increasing the directivity factor of each antenna element makes the mean square error in the determination of the coordinates of the signals increase as well. The estimation of the resolution of conformal antenna arrays is carried out depending on the directional factor of each antenna coefficient. It is found that the best configuration is spherical. Conclusions. Thus, a comprehensive statistical analysis of radio direction finding with the azimuth and elevation for the conformal antennas depending on the directivity of the antenna elements constituting them was implemented. With an increase in the gain of individual antennas, the accuracy of direction finding can vary significantly depending on the azimuthal position of the signal and an acceptable choice of directional coefficient is four to six.
Оценка угловых координат источников радиоизлучения представляет серьезный исследовательский интерес в различных сферах. Так, в беспроводных телекоммуникационных системах информация о координатах позволяет осуществить пространственное разделение для увеличения одновременно функционирующих пользователей. Исследовано влияние коэффициента направленного действия отдельного антенного элемента на точность определения угловых координат источников радиоизлучения кольцевой, кубической и сферической антенных решеток, состоящих из направленных излучающих элементов, нашедших широчайшее применение в современных беспроводных коммуникационных технологиях. Для корректного функционирования высокоточных алгоритмов радиопеленгации в составе рассматриваемых решеток осуществлен вывод точных выражений, описывающих амплитудно-фазовое распределение электромагнитного поля решеток, т.н. направляющие векторы. Обсуждается вывод статистической границы Крамера-Рао для определения ошибок и точности координат направления прихода ряда плоских волн, падающих на антенную решетку. Осуществлено теоретическое исследование работы данных антенных решеток с помощью оценки границы Крамера-Рао, а также компьютерное моделирование с реализацией метода со сврехразрешением MUSIC. Определены пределы изменения коэффициента направленного действия отдельного элемента, при которых достигается максимальная точность оценки угловых координат. С повышением усиления отдельных антенн точность пеленгации может значительным образом изменяться в зависимости от азимутального положения сигнала и приемлемым выбором коэффициента направленного действия является равным от четырех до шести. Проведена оценка разрешающей способности выпуклых или объемных антенных решеток в зависимости от коэффициента направленного действия. В целом установлено, что лучшей конфигурацией является сферическая. Вступ. Оцінка кутових координат джерел радіовипромінювання становить серйозний дослідницький інтерес в різних сферах. Так, в бездротових телекомунікаційних системах інформація про координати дозволяє здійснити просторове розділення для збільшення кількості користувачів, котрі можуть функціонувати одночасно. Досліджено вплив коефіцієнта спрямованої дії окремого антенного елемента на точність визначення кутових координат джерел радіовипромінювання кільцевої, кубічної і сферичної антенних решіток, що складаються з спрямованих випромінюючих елементів, які знайшли широке застосування в сучасних бездротових комунікаційних технологіях. Теоретичнi результати. Для коректного функціонування високоточних алгоритмів радіопеленгації в складі розглянутих решіток здійснено виведення точних виразів, що описують амплітудно-фазовий розподіл електромагнітного поля решіток, т.зв. направляючі вектори. Експериментальнi результати. Здійснено теоретичне дослідження роботи даних антенних решіток за допомогою оцінки границі Крамера-Рао, а також комп'ютерне моделювання з реалізацією методу зі зверх розрізненням MUSIC. Визначено межі зміни коефіцієнта спрямованої дії окремого елемента, за якого досягається максимальна точність оцінки кутових координат. Зі збільшенням коефіцієнту підсилення окремих антен точність пеленгації може значно змінюватися залежно від азимутального положення сигналу і прийнятним вибором коефіцієнта спрямованої дії. Проведено оцінку роздільної здатності опуклих або об'ємних антенних решіток в залежності від коефіцієнта спрямованої дії. Висновок. В цілому встановлено, що найкращою конфігурацією антенної ршітки є сферична. З підвищенням підсилення окремих антен точність пеленгації може значним чином змінюватися залежно від азимутального положення сигналу і прийнятним вибором коефіцієнта спрямованої дії є рівним від чотирьох до шести. |
|
| Publisher |
National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
|
|
| Date |
2018-12-15
|
|
| Type |
info:eu-repo/semantics/article
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
|
| Format |
application/pdf
|
|
| Identifier |
//radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1531
10.20535/RADAP.2018.75.16-24 |
|
| Source |
Visnyk NTUU KPI Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia; No 75 (2018); 16-24
Вестник НТУУ "КПИ". Серия Радиотехника, Радиоаппаратостроение; № 75 (2018); 16-24 Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування; № 75 (2018); 16-24 2310-0389 2310-0397 |
|
| Language |
rus
|
|
| Relation |
//radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1531/1393
|
|
| Rights |
Авторське право (c) 2018 Нєчаєв Ю. Б., Пєшков І. В., Фортунова Н. А.
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
|