Aerial Multiport Direction-Finding Antenna Design Using Characteristic Mode Analysis

Antennensysteme zur Richtungsschätzung sind in der Luftfahrt von besonderer Bedeutung, wobei das Airborne Collision Avoidance System (ACAS) zu den wichtigsten Anwendungen zählt. Das ACAS ist ein lang etabliertes, voll automatisiertes System. Es ermöglicht die Detektion anderer Luftfahrzeuge, die Kommunikation mit ihnen, sowie, falls nötig, die Bereitstellung von Handlungsanweisungen. Dadurch trägt es dazu bei, Kollisionen zu verhindern. Angesichts der immer anspruchsvolleren Integrationsszenarien für solche Systeme stellen Multimode Multiport Antennen (M³PAs) eine interessante Alternative zu den üblicherweise verwendeten Antennenarrays dar. Da M³PAs mehrere Antennentore auf einer einzigen physikalischen Antennenstruktur umsetzen, sind viele existierende Analysemethoden nicht anwendbar. Daher werden alternative Bewertungsmethoden und Entwurfshilfen entwickelt. In diesen werden charakteristische Moden (CMs) verwendet, welche eine Eigenmoden-Zerlegung des Streuverhaltens einer beliebigen Antennenstruktur darstellen. Dadurch wird das Hochfrequenzverhalten einer möglichen Antennenstruktur bewertet, ohne dass zuerst ein Satz angepasster Antennentore entwickelt werden muss. Besonderes Augenmerk wird auf das Resonanzverhalten der CMs gelegt, welches die Bandbreite der Antenne bestimmt. Hier ist das Kreuzen bestimmter Eigenwertkurven bezüglich der Frequenz für einige Symmetriegruppen erlaubt, jedoch für andere verboten, wobei der letztere Fall zu Microscopic Crossing Avoidances (MICAs) führt. Durch zusätzliche geometrische Veränderungen werden diese zu Macroscopic Crossing Avoidances (MACAs). Wird die Antenne so gestaltet, dass MACAs im Frequenzbereich der Anwendung vermieden werden, ist festzustellen, dass dies das Peilverhalten der Antenne in Abhängigkeit der Frequenz stabilisiert. Mit den Fernfeldern als gemeinsamer Schnittstelle für die Berechnung können mit den vorgestellten Verfahren sowohl CMs als auch Antennentore untersucht werden. Zuerst wird dazu ein rein deterministisches Bewertungsverfahren eingeführt. Es basiert auf der Korrelation zwischen den an den Antennentoren gemessenen Werten für verschiedene Einfallsrichtungen (Directions of Arrival, DoAs). Es liefert daher einen detaillierten Einblick in das physikalische Verhalten der Antenne und eignet sich besonders für frühe Entwicklungsphasen, um ein grundlegendes Verständnis der untersuchten Antennenstruktur zu erlangen. Dieses Verfahren wird als Entwicklungshilfe für eine quaderförmige Demonstratorantenne mit drei angepassten Toren eingesetzt, die in einem ACAS-inspirierten Flugversuch bei der Richtungsschätzung gute Ergebnisse erzielt. Als zweites wird ein Peilalgorithmus in die Methode zur Bewertung von Antennen integriert, wobei Multiple Signal Classification (MUSIC) als Beispiel verwendet wird. Die korrelationsbasierte, deterministische Metrik wird durch die statistischen Ergebnisse ersetzt, die der Algorithmus unter dem Einfluss von Rauschen erzielt. Eine Referenz für das ansonsten willkürliche Signal-Rausch- Verhältnis wird durch einen Satz von idealisierten Referenz-Antennencharakteristiken eingeführt. Dieser Ansatz eignet sich am besten für spätere Entwicklungsphasen, wenn ein grundlegendes Verständnis der Antenne bereits vorhanden und der verwendete Algorithmus bekannt ist. Um die Eignung des statistischen Bewertungsverfahrens zu zeigen, wird eine zweite, kuppelförmige Demonstratorantenne entwickelt. Zusätzliche Anforderungen, wie verbessertes aerodynamisches Verhalten und die Abdeckung größerer Winkelbereiche, werden ebenfalls eingeführt und erfüllt, was die Flexibilität des vorgeschlagenen Verfahrens demonstriert. In einem zweiten Flugversuch zeigt diese Demonstratorantenne außerdem diese zu Macroscopic Crossing Avoidances (MACAs). Wird die Antenne so gestaltet, dass MACAs im Frequenzbereich der Anwendung vermieden werden, ist festzustellen, dass dies das Peilverhalten der Antenne in Abhängigkeit der Frequenz stabilisiert. Mit den Fernfeldern als gemeinsamer Schnittstelle für die Berechnung können mit den vorgestellten Verfahren sowohl CMs als auch Antennentore untersucht werden. Zuerst wird dazu ein rein deterministisches Bewertungsverfahren eingeführt. Es basiert auf der Korrelation zwischen den an den Antennentoren gemessenen Werten für verschiedene Einfallsrichtungen (Directions of Arrival, DoAs). Es liefert daher einen detaillierten Einblick in das physikalische Verhalten der Antenne und eignet sich besonders für frühe Entwicklungsphasen, um ein grundlegendes Verständnis der untersuchten Antennenstruktur zu erlangen. Dieses Verfahren wird als Entwicklungshilfe für eine quaderförmige Demonstratorantenne mit drei angepassten Toren eingesetzt, die in einem ACAS-inspirierten Flugversuch bei der Richtungsschätzung gute Ergebnisse erzielt. Als zweites wird ein Peilalgorithmus in die Methode zur Bewertung von Antennen integriert, wobei Multiple Signal Classification (MUSIC) als Beispiel verwendet wird. Die korrelationsbasierte, deterministische Metrik wird durch die statistischen Ergebnisse ersetzt, die der Algorithmus unter dem Einfluss von Rauschen erzielt. Eine Referenz für das ansonsten willkürliche Signal-Rausch-Verhältnis wird durch einen Satz von idealisierten Referenz-Antennencharakteristiken eingeführt. Dieser Ansatz eignet sich am besten für spätere Entwicklungsphasen, wenn ein grundlegendes Verständnis der Antenne bereits vorhanden und der verwendete Algorithmus bekannt ist. Um die Eignung des statistischen Bewertungsverfahrens zu zeigen, wird eine zweite, kuppelförmige Demonstratorantenne entwickelt. Zusätzliche Anforderungen, wie verbessertes aerodynamisches Verhalten und die Abdeckung größerer Winkelbereiche, werden ebenfalls eingeführt und erfüllt, was die Flexibilität des vorgeschlagenen Verfahrens demonstriert. In einem zweiten Flugversuch zeigt diese Demonstratorantenne außerdem diese zu Macroscopic Crossing Avoidances (MACAs). Wird die Antenne so gestaltet, dass MACAs im Frequenzbereich der Anwendung vermieden werden, ist festzustellen, dass dies das Peilverhalten der Antenne in Abhängigkeit der Frequenz stabilisiert. Mit den Fernfeldern als gemeinsamer Schnittstelle für die Berechnung können mit den vorgestellten Verfahren sowohl CMs als auch Antennentore untersucht werden. Zuerst wird dazu ein rein deterministisches Bewertungsverfahren eingeführt. Es basiert auf der Korrelation zwischen den an den Antennentoren gemessenen Werten für verschiedene Einfallsrichtungen (Directions of Arrival, DoAs). Es liefert daher einen detaillierten Einblick in das physikalische Verhalten der Antenne und eignet sich besonders für frühe Entwicklungsphasen, um ein grundlegendes Verständnis der untersuchten Antennenstruktur zu erlangen. Dieses Verfahren wird als Entwicklungshilfe für eine quaderförmige Demonstratorantenne mit drei angepassten Toren eingesetzt, die in einem ACAS-inspirierten Flugversuch bei der Richtungsschätzung gute Ergebnisse erzielt. Als zweites wird ein Peilalgorithmus in die Methode zur Bewertung von Antennen integriert, wobei Multiple Signal Classification (MUSIC) als Beispiel verwendet wird. Die korrelationsbasierte, deterministische Metrik wird durch die statistischen Ergebnisse ersetzt, die der Algorithmus unter dem Einfluss von Rauschen erzielt. Eine Referenz für das ansonsten willkürliche Signal-Rausch-Verhältnis wird durch einen Satz von idealisierten Referenz-Antennencharakteristiken eingeführt. Dieser Ansatz eignet sich am besten für spätere Entwicklungsphasen, wenn ein grundlegendes Verständnis der Antenne bereits vorhanden und der verwendete Algorithmus bekannt ist. Um die Eignung des statistischen Bewertungsverfahrens zu zeigen, wird eine zweite, kuppelförmige Demonstratorantenne entwickelt. Zusätzliche Anforderungen, wie verbessertes aerodynamisches Verhalten und die Abdeckung größerer Winkelbereiche, werden ebenfalls eingeführt und erfüllt, was die Flexibilität des vorgeschlagenen Verfahrens demonstriert. In einem zweiten Flugversuch zeigt diese Demonstratorantenne außerdemdiese zu Macroscopic Crossing Avoidances (MACAs). Wird die Antenne so gestaltet, dass MACAs im Frequenzbereich der Anwendung vermieden werden, ist festzustellen, dass dies das Peilverhalten der Antenne in Abhängigkeit der Frequenz stabilisiert. Mit den Fernfeldern als gemeinsamer Schnittstelle für die Berechnung können mit den vorgestellten Verfahren sowohl CMs als auch Antennentore untersucht werden. Zuerst wird dazu ein rein deterministisches Bewertungsverfahren eingeführt. Es basiert auf der Korrelation zwischen den an den Antennentoren gemessenen Werten für verschiedene Einfallsrichtungen (Directions of Arrival, DoAs). Es liefert daher einen detaillierten Einblick in das physikalische Verhalten der Antenne und eignet sich besonders für frühe Entwicklungsphasen, um ein grundlegendes Verständnis der untersuchten Antennenstruktur zu erlangen. Dieses Verfahren wird als Entwicklungshilfe für eine quaderförmige Demonstratorantenne mit drei angepassten Toren eingesetzt, die in einem ACAS-inspirierten Flugversuch bei der Richtungsschätzung gute Ergebnisse erzielt. Als zweites wird ein Peilalgorithmus in die Methode zur Bewertung von Antennen integriert, wobei Multiple Signal Classification (MUSIC) als Beispiel verwendet wird. Die korrelationsbasierte, deterministische Metrik wird durch die statistischen Ergebnisse ersetzt, die der Algorithmus unter dem Einfluss von Rauschen erzielt. Eine Referenz für das ansonsten willkürliche Signal-Rausch-Verhältnis wird durch einen Satz von idealisierten Referenz-Antennencharakteristiken eingeführt. Dieser Ansatz eignet sich am besten für spätere Entwicklungsphasen, wenn ein grundlegendes Verständnis der Antenne bereits vorhanden und der verwendete Algorithmus bekannt ist. Um die Eignung des statistischen Bewertungsverfahrens zu zeigen, wird eine zweite, kuppelförmige Demonstratorantenne entwickelt. Zusätzliche Anforderungen, wie verbessertes aerodynamisches Verhalten und die Abdeckung größerer Winkelbereiche, werden ebenfalls eingeführt und erfüllt, was die Flexibilität des vorgeschlagenen Verfahrens demonstriert. In einem zweiten Flugversuch zeigt diese Demonstratorantenne außerdem die erfolgreiche Verbesserung der Schätzgenauigkeit für den Azimutwinkel im Vergleich zur quaderförmigen Antenne. Da beide Bewertungsverfahren kompatibel zu einander gestaltet sind, bilden sie eine kombinierte, allgemein anwendbare Entwicklungshilfe für Antennensysteme zur Richtungsschätzung, insbesondere, aber nicht ausschließlich, für Anwendungen in der Luftfahrt.