Wideband MIMO Beampattern Synthesis using Adaptive Frequency Modulated Waveforms

Moderne Radar- und Kommunikationssysteme verlassen sich oft auf Antennenarrays, bei denen mehrere Elemente zusammenarbeiten, um Signale in die Welt zu senden. Wenn diese Elemente exakt dasselbe Signal aussenden, wirken sie wie ein einziger, leistungsstarker Scheinwerferstrahl. Ein fortgeschrittenerer Ansatz namens Multiple-Input Multiple-Output, oder MIMO, ermöglicht es jedoch, dass jedes Antennenelement ein einzigartiges, unterscheidbares Signal aussendet. Dieser Unterschied verleiht dem System eine weitaus größere Freiheit bei der Gestaltung seiner Übertragung, was es Ingenieuren ermöglicht, komplexe Energiemuster zu erzeugen, die sich auf spezifische Ziele konzentrieren können, während andere ignoriert werden. Jahrzehntelang haben Forscher diese Formung für Signale gemeistert, die einen schmalen Teil des Funkfrequenzspektrums belegen. Doch während die Technologie dazu drängt, immer breitere Frequenzbänder zu nutzen, um mehr Daten zu übertragen und mehr Details zu sehen, ändern sich die Regeln. Wenn Signale über einen breiten Frequenzbereich gestreckt werden, beginnen die einfachen Methoden, die für schmalbandige Signale verwendet werden, zu versagen, wodurch die sorgfältig gestalteten Energiemuster verschwimmen, sich verzerren und an Schärfe verlieren.

Die Herausforderung liegt darin, wie diese Breitbandsignale mit dem physischen Array interagieren. In einem Schmalbandsystem hängt die Richtung des Strahls hauptsächlich vom Timing der Signale ab. In einem Breitbandsystem hängt die Richtung zusätzlich stark von der spezifischen Frequenz des Tons oder der Radio-Welle ab. Hohe Frequenzen könnten den Strahl in eine Richtung lenken, während niedrige Frequenzen ihn etwas anders ausrichten. Wenn man all das zusammenzählt, ist das Ergebnis oft ein ungeordneter, verschmierter Strahl, der nicht sehr nützlich ist. Um dies zu beheben, müssen Ingenieure eine Reihe einzigartiger Signale entwerfen, die über den gesamten Frequenzbereich hinweg, wenn sie kombiniert werden, immer noch einen sauberen, scharfen Strahl erzeugen. Die Schwierigkeit besteht darin, dass diese Signale auch effizient zu übertragen sein müssen, was bedeutet, dass sie nicht wild in ihrer Leistung schwanken dürfen, und dass sie strikt innerhalb ihres zugewiesenen Frequenzbandes bleiben müssen, um nicht mit anderen Nutzern zu interferieren.

In dieser Arbeit gingen Forscher des Naval Undersea Warfare Center dieses Problem an, indem sie einen neuen Weg zur Generierung dieser Breitbandsignale entwickelten. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Art von Signal, ein multitonales, sinusförmig moduliertes Wellenform-Signal. Stellen Sie sich ein Signal vor, dessen Tonhöhe sich in einem glatten, rhythmischen Muster ändert, ähnlich einer Sirene, aber konstruiert aus einer präzisen Kombination mehrerer verschiedener Töne. Die Forscher behandelten die mathematischen Koeffizienten, die den Rhythmus dieser Töne definieren, als Regler, an denen sie drehen konnten. Durch das Anpassen dieser Regler konnten sie das Verhalten des Signals über das gesamte Frequenzspektrum hinweg formen. Das Ziel war es, eine spezifische Einstellung der Regler zu finden, die das Breitbandsignal dazu zwingt, trotz der Frequenzänderungen einer gewünschten Form treu zu bleiben.

Das Team testete ihren Ansatz mithilfe einer Computersimulation eines linearen Arrays mit zehn Sensoren. Sie begannen mit einem Satz von Signalen, die für ein Schmalbandsystem perfekt funktionierten, aber bekannt dafür waren, bei einer Erhöhung der Bandbreite auf einen sehr weiten Bereich – spezifisch eine fraktionale Bandbreite von 0,5 – zu versagen. Als sie diese ursprünglichen Signale durch das Breitbandmodell laufen ließen, waren die Ergebnisse genau wie vorhergesagt: Der Hauptstrahl verbreiterte sich, die Nebenkeulen wurden ungeordnet und die Energie streute. Die niedrigen Frequenzen im Signal verursachten ein Ausbreiten des Strahls, während die hohen Frequenzen Rippelbildungen und Instabilitäten im Zentrum des Strahls hervorriefen.

Um dies zu lösen, wandten die Forscher eine Optimierungsroutine an. Dieser Prozess passte systematisch die Koeffizienten des Signalrhythmus an und suchte nach einer neuen Konfiguration, die den Fehler zwischen dem tatsächlichen Breitbandstrahl und dem idealen, scharfen Strahl minimieren würde. Der Computer passte die Signale an, während er zwei strikte Regeln einhielt: Die Gesamtleistung jedes Signals musste konstant bleiben, und die Signale mussten innerhalb ihrer vorgesehenen Frequenzgrenzen bleiben. Nach der Durchführung der Optimierung zeigten die Ergebnisse eine deutliche Verbesserung. Der neue Signalsatz erzeugte einen Strahl, der der gewünschten Form viel näher kam. Der Übergang zwischen dem Hauptstrahl und dem umliegenden Bereich wurde schärfer, die unerwünschten Nebenkeulen wurden signifikant reduziert und die Rippelbildungen im Zentrum des Strahls wurden geglättet.

Der Schlüssel zu diesem Erfolg war, dass die neuen Signale die spezifischen Frequenzkomponenten, die die Verzerrung verursachten, natürlich unterdrückten. Die optimierten Signale reduzierten den Einfluss der niedrigen Frequenzen, die den Strahl weit ausbreiteten, und minimierten die hohen Frequenzen, die die Rippelbildungen erzeugten. Auf diese Weise behielt das System eine konsistente Strahlbreite über den gesamten Frequenzbereich bei. Die Forscher demonstrierten, dass diese Methode für sehr breite Bandbreiten funktioniert – ein Bereich, in dem frühere Designs oft Schwierigkeiten hatten. Obwohl die aktuelle Methode auf einem Standard-Numerik-Solver basiert, der noch nicht der schnellstmögliche ist, beweist die Studie, dass es möglich ist, diese komplexen Breitbandsignale direkt zu synthetisieren. Die Arbeit legt nahe, dass Ingenieure durch die sorgfältige Gestaltung der internen Struktur der Signale Radar- und Kommunikationssysteme schaffen können, die sowohl hochpräzise als auch spektral effizient sind und in der Lage sind, in überfüllten Umgebungen zu arbeiten, ohne ihren Fokus zu verlieren.