ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 10 · РАДИОТЕХНИКА

Радиоголография на основе MIMO антенных систем с пространственной рециркуляцией сигналов

В.И. Калинин1, В.В. Чапурский2

1 ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Фрязино, Россия
2 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.10.10 УДК 621.391 EDN QJHPSV

Аннотация

Рассмотрена система радиоголографии на основе MIMO антенных решеток с переизлучением и рециркуляцией многочастотных сигналов в кольце пространственной обратной связи. Построена обобщенная функция неопределенности (ОФН) по пространственным координатам для ансамбля многочастотных ортогональных сигналов с учетом парциальных коэффициентов передачи колец обратной связи. Исследованы характеристики пространственного разрешения в системе радиоголографии с MIMO антенными решетками в CВЧ-диапазоне радиоволн. Приводятся результаты расчета и сравнения двумерных сечений ОФН при наличии и отсутствии рециркуляции зондирующих сигналов. Показана возможность значительного повышения пространственного разрешения в системе радиоголографии на основе MIMO антенных решеток с рециркуляцией многочастотных сигналов в замкнутом кольце, содержащем отражающий объект.

  • MIMO радиоголография
  • антенная решетка
  • функция неопределенности
  • рециркуляция сигналов
  • пространственное разрешение
Abstract (in English)

Radio holography using MIMO retrodirective antenna array

Retrodirective antenna array (RDA) technology can be used for the development of cover broadband radar systems, wireless communications and wireless power transmissions with spatial recirculation of orthogonal signals. Retrodirective multiple antennas of radio-electronic systems receive sounding signals reflected from the object and automatically retransmit them in the direction of the irradiated object. In this case, a well-known self-focusing effect occurs along the target coordinates due to the recirculation of radiated signals in a spatial feedback ring containing a reflecting source. A distinctive feature of RDA broadband systems is automatic control (selfsteering) of the antenna pattern in search and tracking mode. Radio holographic system based on MIMO retrodirective antenna array with re-emission and recirculation of orthogonal signals in spatial feedback rings is considered. Generalized ambiguity functions (GAF) are determined in result of the space-time signal processing and calculating the complex correlation integrals for the reference and received vector signals. GAF function for MIMO radio holographic system is constructed with respect to spatial coordinates for an ensemble of orthogonal signals, taking into account the partial transmission coefficients of feedback rings. The spatial resolution characteristics are studied for a short-range radio holographic system using MIMO retrodirective antenna array in the microwave range. In this paper, we perform comparative analysis of GAF two-dimensional cross-sections along spherical spatial coordinates for MIMO holographic system in the presence and absence of spatial recirculation of regular orthogonal signals with spectrum separation. Detailed study of the generalized ambiguity function and 2D its sections along spatial coordinates allows to examine the range and angular resolutions as well as to estimate GAF side lobe levels for different combinations of the aperture dimensions, the number of antenna elements, and the frequency spacing of the orthogonal regular signals radiated by the array elements. We compare GAF sections in two cases - presence or absence of a signal recirculation in a spatial feedback loop. Recirculation affect causes significant narrowing (in some times) of GAF main lobe width that is equality to enhance the spatial resolution of a point reflector when a transmission coefficient of a spatial loop achieves 0.7-0.9 values. In that case, GAF side lobe levels are sharply decreased and it is appeared the possibility of unambiguous measurements of the delay (range) and the angular coordinates of a point reflector. The super spatial resolution effect was uncovered in a radio holography system based on MIMO antenna arrays with spatial recirculation of orthogonal signals.

Для цитирования

Калинин В.И., Чапурский В.В. Радиоголография на основе MIMO антенных систем с пространственной рециркуляцией сигналов // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.10.10

Литература

  1. Pon C. Y. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - March 1964. - No.2. - P. 176 - 180.
  2. Malyuskin O. & Fusco V. Antenna Terminals based on Ultra-Compact Retrodirective Antenna Arrays. // Microwaves, Antennas and Propagation Journal. - 2017. - 11(15). - pp. 2185 - 2193.
  3. Fusco V., Buchanan N. Developments in retrodirective array technology. // IET Microw. Antennas Propagat. - 2013. - vol. 7. - no. 2. - pp. 131 - 140.
  4. Miyamoto R.Y. and Itoh T. Retro-directive arrays for wireless communications. // IEEE Microw. Mag. - 2002. - vol. 3. - no. 1. - pp. 71 - 79.
  5. Li Y., Jandhyala V. Design of retrodirective antenna arrays for short-range wireless power transmission. // IEEE Trans. Antenn. Propag. - 2012. - 60(1). - pp. 206 -211. https://doi.org/10.1109/TAR2011.2167897
  6. Быстров Р.П., Кузмичев В.Е. Шумовые РЛС с гребенчатыми фильтрами в устройстве обработки сигналов. // Успехи современной радиоэлектроники. -2015. - вып. 8. - С. 47 - 54.
  7. Калинин В.И., Чапурский В.В., Черепенин В.А. Радиоголография высокого разрешения на основе многоэлементных антенных решеток с пространственной рециркуляцией сигналов. // VII Всеросс. Микроволновая конф. - 25 - 27 ноября 2020. - Москва. - доклады. - стр.139 - 149. https://doi.10.1109/RMC50626.2020.9312268
  8. Чапурский В.В., Калинин В.И., Бугаев А.С., Разевиг В.В. Метод рециркуляции сигналов в задаче наблюдения точечного объекта над металлической поверхностью. // Журнал технической физики. - 2019. - том 89. - вып. 8. - с. 1265 - 1270. https://doi.10.21883/JTF.2019.08.47901.272-1
  9. Skolnik M.I. and King D.D. Self-phasing array antennas. // IEEE Trans. Antennas Propag. - Feb. 1964. - Vol. AP-12. - pp. 142 - 149.
  10. Чапурский В. В., Слукин Г. П. Прикладные задачи теории MIMO систем радиолокации и радиоголографии. // Под ред. Слукин Г. П., Чапурский В. В. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. - 2024, - 275 с.: - ISBN 978-5-7038-6393-0. https://press.bmstu.ru/catalog/item/8333
  11. Калинин В.И., Чапурский В.В, Черепенин В.А. Сверхразрешение в системах радиолокации и радиоголографии на основе MIMO антенных решеток с рециркуляцией сигналов. // Радиотехника и электроника. - 2021. - том 66.- № 6. - с. 614 - 624. https://doi.10.31857/S0033849421060139
  12. Bendat Julius S., Piersol Allan G. Engineering Applications of Correlation and Spectral Analysis. // Wiley Interscience Publication. New York. - 1980. (Пер. с англ. Бендат Дж., Пирсол А. Применения корреляционного и спектрального анализа. - М.: Мир. - 1983).