Development of beamforming techniques for antenna arrays

Abstract

This doctoral thesis investigates two major radiation pattern shaping problems. The first radiation pattern shaping problem concerns those cases where the antenna arrays must exhibit a static radiation pattern. This radiation pattern shaping problem is known as fixed beamforming. Antenna arrays with static radiation patterns are very useful in applications where directional radiation is required and there is no need for real-time beamforming, e.g., in TV broadcasting. In this thesis, antenna arrays which satisfy demanding specifications are designed through evolutionary optimization. These specifications include the maximization of forward gain and efficiency, and the minimization of the standing wave ratio and the side lobe level (SLL). Furthermore, it is investigated whether or not an antenna array feeding network can be designed separately from the antenna array, by knowing minimal information about the antenna array, such as the array elements active input impedances and their spacing. The conclusion of this study was that indeed it is possible, a fact which can be very helpful for antenna and feeding network designers.The second one, concerns radiation shaping in real-time, adaptive beamforming (ABF), which is a real-time process that aims at finding the optimal feeding weights, which steer the main lobe towards the direction of arrival (DOA) of a desired incoming signal (DIS) and place nulls towards DOAs of any undesired (interference) incoming signals (UISs). This task is quite demanding, because DOAs of DIS and UISs change in real-time and the feeding weights must be recalculated again and again in order to adapt the radiation pattern to new conditions. Most ABF methods rely on the estimation of the steering vectors of the incoming signals, received by an antenna array, to calculate the appropriate feeding weights. However, this estimation is performed on a theoretical basis by most ABF methods, because they treat the array elements of an antenna array as isotropic sources, thus ignoring their non-isotropic patterns and the mutual coupling between them. Consequently, they construct the steering vectors by only taking into account the phase differences between the electric fields of those sources due to their different spatial positions.In this thesis, an effort is made to improve the precision of well-known ABF algorithms by incorporating the effects of the mutual coupling between the array elements and their respective non-isotropic patterns. To this end, a new approach which constructs the steering vectors from the embedded element patterns of the array elements is proposed. Specifically, the steering vectors are constructed from realistic electric field data, derived from full-wave analysis of the antenna array employed by the beamformer. The proposed approach is used to modify two conventional ABF methods, in particular the minimum variance distortionless response and the null steering beamforming methods. Moreover, the proposed approach is verified through thorough statistical analyses and numerous simulations, and the modified ABF methods are utilized for both 2D and 3D beamforming. The results show that the proposed approach makes the modified ABF methods suitable for use in realistic antenna arrays by incorporating the effects of the non-isotropic patterns of the array elements and the mutual coupling between them.Additionally, an effort has been made to develop an algorithm that reduces the SLL of the resulting radiation patterns of conventional ABF methods. This is of great importance, because during a certain time span that a certain block of data is processed by the beamformer, new unpredicted UISs from various DOAs may arise which are not diminished by the current set of feeding weights at the beamformer output. Therefore, beamformers without means to keep the SLL under a certain threshold, become susceptible to unpredicted interference as the directions of these unpredicted interference signals can coincide with the directions of strong sidelobes. Finally, the importance of the aforementioned studies regarding ABF is very significant, because at the time this research was being conducted, 5G networks were under full development and integration and beamforming is a key technology for 5G networks, because it enhances reception/transmission and helps mitigating several weaknesses associated with the millimeter wave band, such as, the increased propagation losses and the susceptibility to blockings by obstacles.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με δύο σημαντικά προβλήματα μορφοποίησης δέσμης ακτινοβολίας. Το πρώτο πρόβλημα μορφοποίησης δέσμης που απασχολεί την παρούσα διδακτορική διατριβή, είναι αυτό της στατικής μορφοποίησης του διαγράμματος ακτινοβολίας. Σε τέτοιες περιπτώσεις, δεν υπάρχει ανάγκη για μορφοποίηση του διαγράμματος ακτινοβολίας σε πραγματικό χρόνο, αλλά στόχος είναι η επίτευξη ενός σταθερού κατευθυντικού διαγράμματος ακτινοβολίας που ανταποκρίνεται σε συγκεκριμένες προδιαγραφές. Τέτοιες κεραίες για παράδειγμα χρησιμοποιούνται στην εκπομπή τηλεοπτικού σήματος. Στην παρούσα διατριβή έγινε σχεδιασμός στοιχειοκεραιών που ανταποκρίνονται σε συγκεκριμένες προδιαγραφές, μέσω εξελικτικών αλγορίθμων βελτιστοποίησης. Οι προδιαγραφές αυτές συμπεριλαμβάνουν την μεγιστοποίηση του κέρδους και της αποδοτικότητας της κεραίας και την ελαχιστοποίηση του λόγου στάσιμου κύματος και του ύψους των πλευρικών λοβών. Επιπρόσθετα, ερευνήθηκε η δυνατότητα σχεδιασμού του δικτύου τροφοδοσίας της στοιχειοκεραίας χωριστά από τον σχεδιασμό της κεραίας, όταν είναι γνωστές μόνο οι ενεργές αντιστάσεις εισόδου των στοιχείων της κεραίας. Το συμπέρασμα της άνω έρευνας ήταν θετικό, κάτι το οποίο είναι αρκετά χρήσιμο για τους σχεδιαστές δικτύων τροφοδοσίας και στοιχειοκεραιών.Το δεύτερο πρόβλημα μορφοποίησης δέσμης αφορά την μορφοποίηση του διαγράμματος ακτινοβολίας σε πραγματικό χρόνο, την λεγόμενη προσαρμοστική μορφοποίηση δέσμης, μια διαδικασία που στοχεύει στην εύρεση των κατάλληλων βαρών τροφοδοσίας που επιτυγχάνουν την στροφή του κύριου λοβού προς την κατεύθυνση του επιθυμητού εισερχόμενου σήματος (ΕΕΣ), και την τοποθέτηση μηδενισμών προς τις κατευθύνσεις των ανεπιθύμητων εισερχομένων σημάτων (ΑΕΣ). Η διαδικασία αυτή είναι πολύπλοκη καθώς οι κατευθύνσεις άφιξης του ΕΕΣ και των ΑΕΣ αλλάζουν σε πραγματικό χρόνο, και για τον λόγο αυτό τα βάρη τροφοδοσίας πρέπει να υπολογίζονται ξανά και ξανά.Οι περισσότερες μέθοδοι προσαρμοστικής μορφοποίησης δέσμης ακτινοβολίας με σκοπό να υπολογίσουν τα κατάλληλα βάρη τροφοδοσίας, βασίζονται στην σωστή εκτίμηση των διανυσμάτων οδήγησης των εισερχόμενων σημάτων. Αυτή η εκτίμηση γίνεται από τις περισσότερες μεθόδους σε θεωρητικό επίπεδο, καθώς δεν λαμβάνουν υπόψη ούτε την αμοιβαία σύζευξη μεταξύ των στοιχείων της κεραίας, ούτε το μη-ισοτροπικό διάγραμμα ακτινοβολίας των στοιχείων, θεωρώντας πως τα στοιχεία συμπεριφέρονται απλά σαν ισοτροπικές πηγές. Συνεπώς, κατασκευάζουν τα διανύσματα οδήγησης λαμβάνοντας υπόψη μόνο τις διαφορές φάσεων των ηλεκτρικών πεδίων των πηγών, λόγω των διαφορετικών τους θέσεων στο χώρο. Στην παρούσα διατριβή, πραγματοποιήθηκε προσπάθεια βελτίωσης των προσαρμοστικών τεχνικών μορφοποίησης μέσω μιας νέας μεθόδου η οποία λαμβάνει υπόψη την αμοιβαία σύζευξη μεταξύ των στοιχείων της κεραίας και το μη-ισοτροπικό διάγραμμα ακτινοβολίας των στοιχείων. Η επίτευξη αυτού γίνεται μέσω της κατασκευής των διανυσμάτων οδήγησης από ρεαλιστικές τιμές του ηλεκτρικού πεδίου στοιχειοκεραιών, οι οποίες έχουν εξαχθεί μέσω κυματικής ανάλυσης. Μέσω αυτής της προσέγγισης, είναι αναμενόμενο να αυξηθεί η ακρίβεια των μεθόδων μορφοποίησης, πράγμα που επαληθεύθηκε στην διατριβή μέσω εκτενών στατιστικών αναλύσεων και προσομοιώσεων. Επιπρόσθετα, έγινε προσπάθεια ανάπτυξης ενός αλγόριθμου που ελέγχει το ύψος των πλευρικών λοβών των διαγραμμάτων ακτινοβολίας που δημιουργούν οι συμβατικές μέθοδοι μορφοποίησης δέσμης. Η σημασία τέτοιων αλγορίθμων είναι μεγάλη, καθώς σε κάποια χρονική στιγμή που ο μορφοποιητής δέσμης επεξεργάζεται ένα συγκεκριμένο μπλοκ πληροφοριών, μπορεί να υπάρξει εμφάνιση νέων ΑΕΣ σε διάφορες κατευθύνσεις, τα οποία δεν είχαν ληφθεί υπόψη και για τον λόγο αυτό το τρέχον σετ βαρών τροφοδοσίας δεν μπορεί να τα εξαλείψει στην έξοδο του μορφοποιητή. Γίνεται λοιπόν κατανοητό πως οι μέθοδοι μορφοποίησης που δεν λαμβάνουν υπόψη το ύψος των πλευρικών λοβών, είναι εκτεθειμένοι σε σήματα παρεμβολής τα οποία δεν είχαν προβλεφθεί. Η σημασία όλων των παραπάνω μεθόδων/αλγορίθμων που αναπτύχθηκαν στην διατριβή είναι μεγάλη, καθώς την περίοδο που διεξαγόταν η διδακτορική διατριβή τα δίκτυα τηλεπικοινωνιών πέμπτης γενιάς ήταν υπό ένταξη, και η μορφοποίηση δέσμης ακτινοβολίας σε πραγματικό χρόνο ήταν μία από τις σημαντικές καινοτόμες λειτουργίες που εισήγαγαν. Συγκεκριμένα, η μορφοποίηση δέσμης ακτινοβολίας σε πραγματικό χρόνο βελτιώνει την λήψη/εκπομπή σήματος και επίσης συμβάλλει στην αντιμετώπιση των προβλημάτων της μιλιμετρικής μπάντας, δηλαδή, τις αυξημένες απώλειες διάδοσης και την ευπάθεια των κυμάτων σε αυτή την ζώνη σε εμπόδια.