Improved dual-band frequency system enabled angle of arrival estimation without ambiguity.

Zhara, Walid (2023). Improved dual-band frequency system enabled angle of arrival estimation without ambiguity. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 139 p.

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Résumé

L’estimation de l’angle d’attaque et le positionnement de haute précision sont utilisés par plusieurs technologies pour surveiller les positions ou les mouvements linéaires et rotatifs. Dans le cadre du déploiement des technologies 5G et au-delà, il est impératif de procéder à cette détection pour assurer des conditions de couverture optimales. Différentes méthodes sont utilisées pour mesurer l’angle d’attaque, dont l’intensité du signal de réception et les méthodes basées sur les phases. Les techniques basées sur l’amplitude ont une faible précision et sont vulnérables au bruit et aux trajectoires multiples. Dans le cas de AoA detection basés sur la phase, le DF est influencé par la différence de phase entre plusieurs signaux. La phase est une valeur périodique qui est spécifiée dans la gamme pmπ. Les deux antennes utilisée sont espacées l’une de l’autre dans un plan de détection par une distance de séparation, et la différence entre les phases détectées des signaux entre ces deux antennes est utilisée pour déterminer le AoA (en deux dimensions, à l’intérieur du plan de détection). Le discriminateur multiport est un composant essentiel des techniques de phase car il offre une résolution de phase exceptionnelle. Cependant, il y a une incohérence sur le signal incident en raison de la différence de phase et du signal de la bande de base. Cet effet est appelé "enroulement de phase", la différence de phase du signal reçu dépendant du rapport entre la longueur d’onde λ et la distance ℓ dans l’espace séparant les antennes. De plus, la configuration du système peut diminuer la précision, ce qui est le résultat d’un réseau de câblage supplémentaire et des limitations de la jonction multiport. Les questions mentionnées auparavant contribuent à l’incertitude de AoA et engendrent deux problèmes majeurs : l’ambiguïté et la configuration du système.
On propose une méthode qui utilise la fréquence à double bande pour contourner l’utilisation des deux systèmes proposés dans la littérature. L’interféromètre multiport a été choisi pour ses caractéristiques, notamment sa capacité à atteindre une largeur de bande élevée, une consommation d’énergie faible, une simplicité et un coût. Le système multiport 2x4 Butler avec des signaux à double bande est appliqué pour recevoir les angles de chaque signal, soit séparément, soit simultanément, afin de calculer la différence de phase qui donne l’angle d’arrivée. Cette approche permet de diminuer la taille, le coût et la complexité. Le système est conçu pour couvrir une plage de fréquences de 10 à 17 GHz. L’interféromètre multiport AoA, l’antenne et le détecteur de puissance sont développés et intégrés dans un schéma multicouche avec la matrice de Butler 2X4 proposée, deux ports d’entrée et quatre ports de sortie. Les résultats des mesures révèlent une correspondance satisfaisante entre la simulation et les mesures effectuées. L’objectif de cette recherche est de mettre en lumière la fiabilité et la polyvalence de la technologie des récepteurs multiports, qui est adaptée à de nombreuses applications de radiogoniométrie.
Par ailleurs, cette étude met en évidence plusieurs éléments qui favorisent l’évolution de l’architecture du système que nous proposons. Un diviseur de puissance Wilkinson bi-bande à une seule résistance avec rejet hors bande couvrant un grand rapport de fréquence a été présenté et validé. Un détecteur de puissance aux performances comparables en termes de flexibilité du rapport de fréquence et de réjection hors bande est également présenté. L’étude des effets de la résistance sur le diviseur de puissance Wilkinson conventionnel permet d’illustrer comment l’élément conditionné peut être intégré dans la gamme des ondes millimétriques. Une correction simple et efficace a été proposée et validée avec succès.

The AoA estimation as well as the High-precision positioning are used by several technologies to monitor both the linear and rotational positions or movements. This detection is mandatory when deploying 5G technologies and beyond to ensure optimal coverage conditions. AoA measurement methods include receiving signal intensity, phased based methods. The amplitude-based techniques suffer from low precision and venerability to the noise and Multi-trajectory. For phase-based DF signals, DF depends relatively on the phase difference of two or more signals. The phase is a periodic value that is specified in the ±π range. In previous designs, two antennas are spaced apart from one another in a detection plane by a separation distance, and the difference among the detected phases of the signals between these two antennas is used to determine the AoA (in two dimensions, within the detection plane). The multi-port discriminator is a component that is used in the phase techniques since it provides excellent phase resolution. However, phase difference and the base-band signal characterize an inconsistency over the incident signal. This effect is called "phase wrap" where the phase difference of the signal received depends on the ratio between the wavelength λ and the distance ℓ in the space separating the antennas. Besides, system topology could decrease the precision which is owed to additional cabling and junction limitations. The aforementioned issues are related to inaccurate AoA and are causing two main problems, ambiguity and system configuration.
A technique that utilizes Dual-band frequency is proposed to overcome the two systems’ usage proposed in the literature. The multi-port interferometer architecture has been chosen due to its ability to achieve bandwidth, low power consumption, simplicity, and cost. The 2x4 Butler multiportbased system with dual-band signals is applied to receive angles of each signal either separately or simultaneously to calculate the phase difference which results in the angle of arrival. This strategy allows the size, cost, and complexity reduction. The system is implemented to cover 10/17 GHz. The AoA multi-port interferometer, Antenna, and power detector are developed and integrated in a multilayer scheme With the proposed 2X4 Butler matrix two input ports and four output ports topology. The measurement results in good agreement between simulation and measurements. The focus is on demonstrating the reliability and versatility of Multi-port receiver technology for various direction-finding applications.
Additionally, this study presents several components that enable the advances of our suggested system architecture. An only one resistor Dual-band Wilkinson power divider with out-of-band rejection covers a large frequency ratio was presented and validated. A power detector with comparable performance in terms of frequency ratio flexibility and rejection out of the band is also presented. To illustrate the integration of the packaged element in millimeter wave range, the effects of the resistor on the conventional Wilkinson power divider are studied. A new simple and efficient correction is proposed and validated.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Djerafi, Tarek
Mots-clés libres:	Radio localization ; Angle of Arrival ; Direction finding ; Six-port ; Butler Matrix ; Dual-band ; Power detector ; Thin film ; phase shifter ; Coupler
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	23 mai 2024 16:36
Dernière modification:	23 mai 2024 16:36
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15679

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