A Miniaturized Multiband Antenna Array for Robust Navigation in Aerial Applications

Abstract

Satellite navigation is more and more important in a plethora of very different application fields, ranging from bank transactions to shipping, from autonomous driving to aerial applications, such as avionics as well as unmanned aerial vehicles (UAVs). Due to the increasing dependency on satellite navigation, the need for robust systems able to counteract unintentional or intentional interferences is growing. When considering interference-robust designs; however, the complexity increases. Top performance is obtained through the use of multi-antenna receivers capable of performing spatial nulling in the direction of the interference signals. In particular, mobile applications (aeronautics, UAVs, automotive) have a substantial interest in robust navigation, but they also have the strongest constraints on the weight and available places for installation, with the use of bigger and heavier systems posing a substantial problem. In order to overcome this limitation, the present work shows a miniaturized five element (4+1) antenna array, which operates at the L1/E1 band (with array capability), as well as at the L5/E5 band (as a single antenna). The proposed antenna array is able to fit into a 3.5-inch footprint, i.e., is compliant with the most widespread footprints for single antennas. Moreover, it is capable of multiband operation and meets the requirements of dual-frequency multi-constellation (DFMC) systems. Thanks to its extreme miniaturization and its compliance with current airborne single antenna footprints, the presented antenna array is suitable for easy integration in future aerial platforms, while enabling robustness and enhancing interference mitigation techniques using multi-antenna processing.

Low-Cost Beamforming Concept for the Control of Radiation Patterns of Antenna Arrays Installed onto UAVs

“…In order to improve safety, sophisticated systems are integrated into aircraft for communication and navigation purposes [ 1 ]. In [ 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ], antennas for installation onto UAVs were proposed.…”

Simple and Effective GNSS Spatial Processing Using a Low-Cost Compact Antenna Array

“…However, their use in many relatively small or lightweight vehicles, like modern unmanned aerial ones, is not usually possible because of the required space, power consumption and/or implementation complexity, and cost. For that reason, several new array designs addressing some of the previously mentioned issues have been recently proposed [9]- [12]. Nevertheless, small arrays with a reduced number of elements still require an accurate knowledge of the actual array response, i.e.…”

Diseño de antenas inteligentes

“…Se busca que las antenas GNSS tengan polarización circular, sean de costo reducido, livianas y de dimensiones convenientes (siendo típicamente de unas pocas decenas de centímetros). Actualmente, los arreglos de antenas se están proponiendo en muchas aplicaciones GNSS para incrementar la visibilidad, mejorar la calidad de la señal recibida, y proveer robustez frente a escenarios diversos y cambiantes que puedan afectar la comunicación [15][16][17][18]. Sin embargo, muchas veces las limitaciones impuestas sobre el esquema del receptor debido las cuestiones prácticas mencionadas anteriormente, impiden alcanzar la robustez deseada.…”

“…Sin embargo, se debe tener en cuenta que el diseño resulta bastante complejo, ya que en estos casos mantener una simetría física en la disposición de las antenas no implica conseguir un patrón de ganancia común para todas las antenas, por lo cual la principal hipótesis asumida por la teoría de PA no se cumple. En la actualidad existen múltiples diseños de arreglos GNSS compactos donde las características de radiación de cada antena difieren notablemente entre sí [16,19,[50][51][52]. Si bien existen diversas propuestas para el procesamiento de señales que no utilizan la información de las características de radiación de las antenas, no cualquier técnica ofrece resultados óptimos en estas condiciones, y como efecto secundario introducen sesgos sobre los resultados de PVT del receptor [15,53].…”

“…El uso de arreglos de antenas compactos y de pocos elementos ha cobrado gran interés en los últimos años en varias aplicaciones, por lo tanto han surgido diversas estrategias de diseño, caracterización y control, que a su vez van evolucionando con diferentes enfoques [16,52,86,113]. El criterio mayormente difundido hoy en día considera al acoplamiento mutuo entre antenas como un problema que debe ser evitado o eliminado en la medida de lo posible [51,87,89,91,92].…”