An approach for constructing a two-element antenna array based on the Cramer-Rao lower bound for direction-of-arrival estimation of radio signals with super-resolution and increased accuracy

Abstract

In the paper an effective method for optimal placement of directional antenna elements for digital spatial signal estimation is discussed. The digital antenna array evaluates spatial coordinates with the subsequent beamforming. However, as it is well known, the relative position of antenna elements, their number and the shape of the radiation pattern have a significant impact on the quality of the spatial pseudospectrum. The paper uses the previously obtained expression for estimating the Cramer-Rao lower bound to reduce the number of antenna elements without losing the accuracy of direction-of-arrival estimation of the signals. For example, a two-element array is obtained. The elements have a flat-top radiation pattern. It is shown that the accuracy of the MUSIC method in the obtained array is higher or comparable to the array composed of three elements.

• digital antenna array
• direction-of-arrival estimation
• music
• Cramer-Rao lower bound
• optimization

Аннотация (на русском)

Способ построения двухэлементной цифровой антенной решетки для оценки угловых координат радиосигналов со сверхразрешением с повышенной точностью на основе нижней границы Крамер-Рао

В работе рассматривается эффективный способ оптимального размещения направленных антенных элементов (АЭ) для цифровой пространственной обработки сигналов. Цифровая антенная решетка (ЦАР) осуществляет оценку угловых координат радиосигналов с последующим формированием диаграммы направленности. Однако взаимное расположение антенных элементов, их число и формы диаграммы направленности оказывают существенное воздействие на качество пространственного спектра. В работе используется полученное ранее выражение оценки нижней границы Крамера-Рао для снижения числа АЭ без потери точности оценок угловых координат сигналов со сверхразрешением. В частности, приводится процедура получения двухэлементной ЦАР, в качестве элементов которой используется линейная антенная решетка с плоской синтезированной диаграммой направленности. При этом коэффициент усиления синтезированной линейной АР целенаправленно задан, превышающим данное значение для одиночного излучателя, например, микрополоскового. С помощью статистического моделирования установлено, что точность метода MUSIC в полученной двухэлементной АР выше или сравнима с ЦАР, состоящей из трех АЭ.

For citation

References

1. Yang B. et al. Digital beamforming-based massive MIMO transceiver for 5G millimeter-wave communications // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2018. - Т. 66. - №. 7. - С. 3403-3418. https://doi.org/10.1109/TMTT.2018.2829702
2. Ruan N. et al. DOA estimation in B5G/6G: Trends and challenges // Sensors. - 2022. - Т. 22. - №. 14. - С. 5125. https://doi.org/10.3390/s22145125
3. Bonacci D., Vincent F., Gigleux B. Robust DoA estimation in case of multipath environment for a sense and avoid airborne radar // IET Radar, Sonar & Navigation. - 2017. - Т. 11. - №. 5. - С. 797-801.
4. Ильчук А.Р. и др. Угловое сверхразрешение в бортовых радиолокационных системах воздушного базирования // Журнал радиоэлектроники. - 2021. - №. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.12.3
5. Gazzah H., Marcos S. Cramer-Rao bounds for antenna array design // IEEE Transactions on Signal Processing. - 2005. - Т. 54. - №. 1. - С. 336-345.
6. Сличенко М.П., Завалишина О.Н. Обобщенное неравенство Крамера-Рао для пеленгования источников радиоизлучения в условиях сложной электромагнитной обстановки // Теория и техника радиосвязи. - 2022. - С. 41-45.
7. Макаров Е.С. Анализ углового сверхразрешения источников электромагнитного поля в многоканальных системах с малой апертурой: дис. - Е.С. Макаров. Воронеж: Издательский дом ВГУ. 2009, 2009.
8. Пешков И.В. Минимизация нижней границы Крамера-Рао для построения антенных решеток с направленными излучателями для повышения точности оценок угловых координат радиосигналов // Журнал радиоэлектроники. - 2022. - №. 2.
9. Godara L.C. Application of antenna arrays to mobile communications. II. Beam-forming and direction-of-arrival considerations // Proceedings of the IEEE. - 1997. - Т. 85. - №. 8. - С. 1195-1245.
10. Chan A.Y.J., Litva J. MUSIC and maximum likelihood techniques on two-dimensional DOA estimation with uniform circular array // IEE Proceedings-Radar, Sonar and Navigation. - 1995. - Т. 142. - №. 3. - С. 105-114.
11. Nechaev Y., Peshkov I., Fortunova N. Evaluation and minimization of Cramer-Rao bound for conformal antenna arrays with directional emitters for DOA-estimation // Progress In Electromagnetics Research C. - 2019. - Т. 90. - С. 139-154. https://doi.org/10.2528/PIERC18111802
12. MathWorks. ga - Find minimum of function using genetic algorithm. URL: https://www.mathworks.com/help/gads/ga.html Дата обращения: 27.12.2023
13. Zhou H. J. et al. Design and realization of a flat-top shaped-beam antenna array // Progress In Electromagnetics Research Letters. - 2008. - Т. 5. - С. 159-166. https://doi.org/10.2528/PIERL08111911
14. Peshkov I.W., Zaitseva I.N., Nechaev Y.B. The estimation of radio direction-finding performance in volume antenna arrays with directive radiators by music method // 2018 Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications (SYNCHROINFO). - IEEE, 2018. - С. 1-6. https://doi.org/10.1109/SYNCHROINFO.2018.8457063