I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   15 ,   No .   5 Octo b er   20 25 ,   p p .   4 6 4 2 ~ 4 6 5 2   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 15 i 5 . pp 4 6 4 2 - 4 6 5 2           4642       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   O d esig n of a sm a ll - sized a rray s fo r direc tion - of - a rr iv a l - estima tion taking   into a ccou nt  a n te nna  ga ins       I lia   P esh k o v ,   Na t a lia   F o rt un o v a ,   I rina   Z a it s ev a   D e p a r t me n t   o f   P h y si c s,  R a d i o   e n g i n e e r i n g   a n d   El e c t r o n i c s,  B u n i n   Y e l e t s   S t a t e   U n i v e r si t y ,   Y e l e t s ,   R u ss i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Au g   2 4 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Ap r   1 4 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   J u l 3 ,   2 0 2 5       In   th e   p a p e a   tec h n i q u e   fo r   d e sig n i n g   a n ten n a   a rra y c o m p o se d   o f   d irec ti o n a l   e lem e n ts  fo r   d irec ti o n - of - a rriv a l   (DO A)  e stim a ti o n   is   p r o p o se d .   Esp e c ially   t h is   a p p r o a c h   is  a p p l ied   f o d e v e lo p i n g   h y b r id   a n ten n a   a rra y s   with   in c re a se d   a c c u ra c y   wh ich   fe a tu re d ig it a sp a ti a sp e c tral  e stim a ti o n   a fter  p re li m in a ry   a n a l o g   b e a m fo rm in g .   Th e   e a rli e o b tai n e d   e x p li c it   f o rm u la   fo c a lcu latin g   t h e   Cra m é r Ra o   lo we b o u n d   (CRLB)  w h ich   d e ter m in e th e   re latio n sh i p   b e twe e n   t h e   v a ria n c e   o t h e   DO A - e stim a ti o n   a n d   a n ten n a   e lem e n t s'   ra d iatio n   p a tt e r n s,  a rra y   g e o m e try ,   h a b e e n   u se d .   M a i n   i d e a   o th e   p ro p o se d   tec h n iq u e   is t h a it   tak e s in to   a c c o u n s p a ti a p a tt e rn   a n d   g a in   o t h e   a n ten n a   e lem e n ts.   Th e   h i g h   g a in   u n li k e   t h e   n u m b e r   o f   th e   a n ten n a   e lem e n ts   o in tere lem e n d istan c e   is  th e   m o st  imp o r tan fa c to w h ich   a ll o w re d u c in g   th e   v a lu e   o th e   DO A - e stim a ti o n   e rro rs.  c o u p le  o t h e   e x a m p les   o c a lcu latin g   ra d iati o n   p a tt e rn o f   a n ten n a   e lem e n ts  imp ro v in g   a c c u ra c y   o f   DOA - e stim a ti o n   with   su p e r - re so l u ti o n   a re   p ro v i d e d   in   th e   p a p e r.   P ro p o se d   a n ten n a   a rra y s   a re   m o d e led   a c c o rd i n g   t o   t h e   m e th o d   o m o m e n ts  (M o M ).   Th e   v a lu e o th e   ro o m e a n   sq u a re   e rro a fter  th e   DO A - e sti m a ti o n   a re   o b tai n e d .   I is  s h o w n   t h a t h e   re su lt in g   h y b ri d   sy ste m c a n   re d u c e   th e   e rro r   v a lu e   in   DO A - e stim a ti o n   wit h   su p e r - re so lu ti o n .   K ey w o r d s :   C r am er - R ao   lo wer   b o u n d   Dir ec tio n - of - a r r iv al  esti m atio n     Hy b r id   an te n n ar r ay     Sm ar t a n ten n   Su p er - r eso lu tio n     T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   I lia  Pes h k o v   Dep ar tm en t o f   Ph y s ics,  R ad io   en g in ee r in g   an d   E lectr o n ics,  I n s titu te  o f   Ma th em atics,  Natu r Scien ce   an d   T ec h n iq u e,   B u n in   Yele ts   State  Un iv er s ity   3 9   Ko m m u n ar o v   s tr ee t,  Yele ts   3 9 9 7 7 0 ,   R u s s ia   E m ail: ilv p esh k o v @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e   s ta t e - of - a r t   t e c h n o l o g i es   ac t i v e l y   u s e   m u l t i a n te n n a   wi r e le s s   s y s t e m s .   T h a n a l y s is   o f   th e   s p a ti a s p e c t r u m   o f   s i g n a ls   u n d e r l i es  t h e s d e v i c es   [ 1 ] D OA - e s t im a t i o n   is   c r it i c al   i n   a p p li c a tio n s   r e q u i r i n g   s p at i a a w a r e n e s s ,   m i n i m a l   d el a y   a n d   e x c e p t i o n a l   r el i a b il i t y .   F o r   e x a m p l e in   5 d i r e c ti o n - of - a r r i v a l   e s t i m at i o n   c o n t r i b u t e s   i n   b e a m f o r m i n g   b y   i d e n t i f y i n g   u s e r   d i r e ct i o n s   f o r   o p t i m a l   s i g n a t r a n s m is s i o n   [ 2 ] .   D e t e ct i n g   a n g l es  o f   i n c o m i n g   s i g n a ls   f r o m   o b s t ac l e s / v e h i c l es   is   u t il i z e d   i n   a u t o m o t i v e   r a d a r   ( s e l f - d r i v i n g   c a r s )   [ 3 ]   L o ac cu r ac y   an d   r eso lu tio n   ar th m o s s er io u s   p r o b le m s   o f   th ese  s y s tem s   u s in g   m eth o d s   an d   alg o r ith m s   f o r   esti m atin g   s p at ial  co o r d in ates,  w h ich   ar e   lim ited   b y   ar r ay   ap er tu r [ 4 ] .   T h u s ,   th p r im ar y   g o al   o f   th p ap er   is   h o to   im p r o v th ac cu r ac y   o f   DOA - esti m atio n   alg o r ith m s .   Ho wev er ,   th ac cu r ac y   o f   th e   esti m ates  ca n n o t   b i n cr ea s ed   in   a   ea s y   way   an d   h as  a   l o o f   ch allen g es.   T o d a y ,   th e r ar s ev er al   b asic  ap p r o ac h es r eg ar d in g   th e   ac cu r ac y   o f   DOA - esti m atio n   T h m o s co m m o n   way   th r esear ch er s   ap p ly   to   im p r o v ac cu r ac y   is   to   en lar g th a p er tu r with   ad d itio n al  elem en ts   [ 5 ] .   T h a ttit u d is   wid esp r ea d   in   th m i llime ter   r an g ap p licatio n s   o r   m ilit ar y   r ad ar s   [ 6 ] Nev er th eless ,   th co m p lex ity   o f   th m u lti - an ten n a   s y s tem   ar ch itectu r in cr ea s es   wh ich   r esu lts   in   a   d r am atic  escalatio n   o f   o v e r all  d ev ice  c o s ts   [ 7 ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         On   d esig n   o a   s ma ll - s iz ed   a r r a ys fo r   d ir ec tio n - of - a r r iva l - esti ma tio n   ta kin g     ( I lia   P esh k o v )   4643   An o th er   way   im p r o v in g   th a cc u r ac y   wh ich   h as  g ain ed   p a r ticu lar   p o p u lar ity   is   r elate d   to   th d esig n   o f   an   in n o v ativ DOA - esti m atio n   alg o r ith m .   Usu ally ,   I is   tailo r ed   to   p ar ticu lar   u s e - ca s r eq u ir em en ts   ( f o r   in s tan ce ,   m u ltip ath   p r o p a g at io n   ch an n el) ,   ce r tain   g eo m etr y   o f   a n ten n a r r ay   ( s u ch   as   li n ea r   an ten n ar r a y   an d   esti m atio n   o f   s ig n al  p ar am eter s   v ia  r o tatio n al  in v ar i an ce   tech n iq u ( E SP R I T )   [ 8 ] ) ,   o r   f o r   a   s ig n al  wav ef o r m   ( s o - ca lled   b lin d   m eth o d s )   [ 9 ] T h m ain   d is ad v an tag o f   th is   ap p r o ac h   is   th at  n ew  alg o r ith m s   p o s s ess   h ig h   co m p u tatio n al  c o m p lex ity .   Fo r   ex a m p le,   th well - k n o wn   MU SIC  alg o r ith m   h as  O ( N 2 ) ,   at  th e   s am tim E SP R I T   an d   o th er s   O ( N 3 )   d ep en d in g   o n   t h n u m b er   o f   an ten n as  [ 1 0 ] .   I n   o th er   wo r d s ,   th l o ad   in cr ea s es a   lo t.  T h is   f ac t m ak e s   it d if f icu lt to   im p lem en f o r   r ea l - tim ap p licatio n s .   s im ilar ly   wid esp r ea d   tech n iq u in cr ea s in g   ac c u r ac y   is   b ased   o n   th o p tim al  ar r an g em en o f   an ten n ele m en ts   [ 1 1 ] .   Sev er a d if f er e n t   cr iter ia   h av b ee n   i n tr o d u ce d   s u c h   as  r an d o m   d is tr ib u tio n   o f   an ten n a   co o r d in ates  [ 1 2 ]   o r   co m p lex   co o r d in ate  ex p r ess io n   o f   an ten n as  [ 1 3 ] ,   o r   u s in g   ar r ay s   co m p o s ed   o f   o m n id ir ec tio n al  r a d iato r s   [ 1 4 ] ,   [ 1 5 ] .   T h m ain   d is ad v an tag o f   th m en tio n e d   ap p r o ac h es  is   th co n s id er atio n   o f   id ea ar r ay   p atter n s   b ec au s o m n id ir ec tio n al  a n ten n as  ar ab s en in   r ea ap p licatio n s .   I n   o th er   wo r d s ,   th ey   ar h ar d l y   im p lem en te d .     T h m ain   id ea   o f   th p r o p o s e d   m eth o d o l o g y   f o r   en h a n cin g   DOA  est im atio n   p r ec is io n   is   t h o p tim al  p lace m en o f   d ir ec tio n al  an te n n as ,   as  well  as   th eir   s p atial  p atter n s .   T h n o v elty   o f   th p r o p o s ed   ap p r o ac h   ar is es  b ec au s th at  th d ir ec tio n al  s p atial  p atter n s   o f   an ten n elem en ts   ar tak en   in to   ac co u n t .   So   th at  th e   p r o ce d u r f o r   d esig n in g   a   d u al - elem en ar r a y   c o n f ig u r atio n   f o r   esti m atin g   s p atial  p ar a m eter   esti m atio n   b y   m ea n s   o f   m a n u ally   f o r m i n g   t h b ea m   p atter n s   an d   co o r d in ates  o f   th ar r ay   elem en ts   to   g r ea tly   r ed u ce   th e   v ar ian ce .   I n   th is   way ,   t h p r o p o s ed   ap p r o ac h   h ig h lig h ts   t h g ain   o f   an te n n elem e n ts   en ab lin g   th e   s en s o r   ar r ay   to   b d e v elo p ed   f o r   3 6 0 ° r an g s ca n n in g   b y   m ea n s   o f   s y n th esizin g   th r ad iatio n   p atter n s .   Mic r o s tr ip   an ten n as  ca n   b e   d esig n ed   u s in g   th m et h o d   o f   m o m en ts   b y   d em o n s tr atin g   t h p r ac tical  im p lem en tatio n   o f   th p r esen ted   m eth o d .   Fu r th er m o r e,   t h p ap er   d escr ib es  an   ex am p le  o f   cr ea tin g   an   a n ten n a   ar r ay   p r o to ty p f o r   s u p e r - r es o lu tio n   DOA - esti m atio n ,   wh i ch   is   co m p u ted   u s in g   th cl o s ed - f o r m   a n aly tical  f o r m u latio n s   o f   C r am ér R ao   l o wer   b o u n d   ( C R L B )   co m p ar i n g   to   th o p tim izatio n   o r   n eu r al  n etwo r k s   wh ich   ar b lack   b o x   s o l u tio n s .   T h e   elab o r ate d   ar r ay   co n s is ts   o f   an   a n alo g   b ea m f o r m i n g   s ch em e,   wh ich   allo ws  r ed u cin g   th n u m b er   o f   d ig ital  p r o ce s s in g   ch an n els  with o u d ec r ea s in g   th ac cu r ac y   o f   D OA - esti m atio n   [ 1 6 ] T h u s ,   th p ap e r   d is cu s s es  th s tep - by - s tep   p r o ce s s   o f   an ten n ar r ay   d esig n ,   s tar tin g   f r o m   co n ce p b ased   o n   an aly tical  ex p r ess io n s   an d   e n d in g   with   th e   p r ac tical  im p lem en tatio n   o n   th e   b asis   o f   p atch   an ten n as.  A   co m p leted   d ev ice  is   u s ed   to   d em o n s tr ate  th e   f ea s ib ilit y   o f   th p r o p o s ed   ap p r o ac h .   E s p ec ially ,   th er is   n o   u n if ied   m eth o d o l o g y   f o r   d esig n in g   th at  k in d   o f   d e v ices  wh ich   ar b u ilt  o n   s u b - ar r ay   p r ep r o ce s s in g   n etwo r k s   [ 1 7 ]   o r   b ea m   s elec tio n   s ch em e s   [ 1 8 ] .       2.   SYST E M   M O D E L   2 . 1 .     DO A - esti m a t io f o rm ul a t io n   I n   th is   s ec tio n   t h m o d el  o f   a n ten n s y s tem s   wid esp r ea d   i n   d ir ec tio n   f in d in g   is   d escr ib ed .   T h ar r a y s   ca n   b c o n f ig u r ed   in   d if f er e n way s   in f lu en ci n g   o n   s u ch   p r o p er ties   as  ac cu r ac y   a n d   r eso lu tio n .   Fig u r e   s h o ws s u ch   an   ar r a y ,   wh ich   c o n s is ts   o f   ce r tain   n u m b e r   o f   a n ten n elem en ts .           Fig u r 1 .   An te n n ar r ay   v iew  i n   th C ar tesi an   s y s tem       I n   th e   p ap er   it  is   ass u m ed   th at   th s ig n al  is   n ar r o w - b a n d   a n d   h as  th f o llo win g   s p atial  co o r d in ates  o n   az im u th   θ  a n d   elev atio n   φ   r e lativ to   th x y ,   an d   z   ax es  in   th C ar tesi an   s y s tem ,   r esp ec tiv ely .   T h u s ,   th e   co o r d in ates  θ  an d   φ  h as  to   b esti m ated   with   m ax im u m   ac cu r ac y .   T h an al y tical  m o d el  o f   th an ten n ar r ay   is   ex p r ess ed   in   th f o llo win g   m an n er   [ 1 9 ] :     ( ) = [ 1 ( )  1 ( )   ]   ( 1 )       s (t )   φ   θ   z   y   x   ( х 1 у 1 , z 1 )   (x 2 y 2 , z 2 )   ( х 3 у 3 , z 3 )   ( х 4 у 4 , z 4 )   (x n y n , z n )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   5 Octo b e r   20 25 :   4 6 4 2 - 4 6 5 2   4644   wh er = 2 ( , , ) = ( s in φ co s θ ,   s i n φ  ,   co s φ )   is   th s p atial  f r eq u en c y   s p ec if y in g   th o s cillatin g   o f   th e   p h ase  o f   t h p r o p a g atin g   wav e   in   th e   x y z   d i r ec tio n s ,   = ( y z )   is   th p o s itio n   v ec to r   in d icate d   to   th n th   an ten n ele m en t a n d   g n ( θ φ )   is   th p atter n   o f   th e   n th   an ten n elem en t.   T h an ten n a   elem en t o u tp u t si g n als ar r ep r esen ted   b y   th c o m p lex   v ec to r   [ 1 9 ] :     ( ) = ( ) ( ) + ( )   ( 2 )     wh er ( ) = [ 1 ( ) , . . . , ( ) ]   is   th v ec to r   o f   th d im en s io n   1 × N ,   wh ich   d escr i b es  th an ten n ar r ay   o u tp u s ig n als;   ( ) = [ 1 ( ) , . . . , ( ) ]   is   th N - d im en s io n al  o f   th s ig n als;   ( ) = [ 1 ( ) , . . . , ( ) ]   is   th n o is v ec to r ( )   is   th N M   d im en s io n al  m atr ix   o f   th s tee r in g   v ec to r s   [ ( 1 ) , , ( ) ] .   I n   p r ac tical  ap p licatio n s ,   th e   s p atial  co v a r ian ce   m atr ix   is   esti m ated   f r o m   co llectio n   o f   K   tim e   s am p les  [ 1 9 ] :     ̂ = 1 ( ) ( ) = 1 = ̂ ̂ ̂ + ̂ ̂ ̂ ,   ( 3 )     wh er ( )   is   th N - d im en s io n al  v ec to r   at  th k - th   tim s am p le  at   th d ig ital  a n ten n a r r ay   o u tp u t,  th s y m b o l   ”  d escr ib es  th a v er ag in g   o v er   K   s am p les,  ̂   is   th s ig n al  eig en v ec to r   m atr ix ,   ̂   is   th n o i s eig en v ec to r   m atr ix ,     an d     is   th eig en v alu e s   m atr ices.    Sp atial  s p ec tr u m   b y   th e   m eth o d   MU SIC is   ca lcu lated   as  [ 2 0 ] :       ( , ) = 1 ( )   ( ) .   ( 4 )     2 . 2 .     Reduct io n o f   DO A - esti m a t io n v a ria nce   T h v ar ian ce   o f   th b ea r in g s   θ   an d   φ  is   ass ess ed   u s in g   th C r am er - R ao   lo wer   b o u n d   cr iter i o n ,   wh ich   is   d eter m in ed   b y   th am o u n o f   n o is e,   th p o s itio n in g   o f   t h an ten n elem en ts   in   s p ac e   an d   th eir   r ad iatio n   p atter n s .   I n   th is   ca s e,   an   ar b i tr ar y   d ir ec tio n - of - a r r iv al  esti m atio n   alg o r ith m   ca n n o h a v v alu es  o f   v ar ian ce   b elo th is   lim it,  b u o n ly   ap p r o ac h in g   it.  C o v ar ian ce   e r r o r   m atr ix   f o r   esti m atin g   th an g u lar   co o r d in ates  o f   s ig n als with   s u p er - r eso lu tio n   i n   b o th   az im u th al  an d   elev atio n   s ca n n in g   p lan es c an   b wr itten   as  ( 5 )   [ 1 9 ] :      = 2 2 [  { [ 1 2 3 4 ] [ ] } ] 1   ( 5 )     h er 1 = 2 = 3 = 4 = = 1  D θ   и  D φ  ar th e   m atr ices  o f   s teer in g   v ec t o r   d i f f er en tiatio n   a ( θ ,   φ )   alo n g   th co r r esp o n d in g   p lan es,  K   is   th n u m b er   o f   th e   s am p les.  C o n s eq u en tly ,   it  is   p o s s ib le  to   r e d u ce   th v alu es  B S TO   b y   in f lu e n cin g   th e   co o r d in a tes  o f   th e   an te n n as   an d   th s h ap e   o f   t h eir   r ad iatio n   p atter n s   o f   DOA - esti m ato r .   T h er ef o r e,   let  u s   ex am i n th C R L B   ex p r ess io n   g iv en   i n   ( 5 )   in   g r ea ter   d etail .   Pre v io u s ly ,   a ex p licit  g en er al  f o r m u la   of   th C R L B   was  o b tain ed   f o r   esti m atin g   th co o r d in ates  o f   th r ad iatio n   s o u r ce   v ia  Mu lti - s en s o r   an ten n a r r ay s   with   d ir ec tio n al  s en s o r s ,   also   o r ien ted   in   s p ac in   an   a r b itra r y   m an n e r   [ 2 1 ] :      ( , ) 2 2 { ( 2 2 ( ) 2  + ( ) 2  ) 1 }   ( 6 )     wh er '   d en o tes  d er iv ativ e   alo n g   θ  or   φ  d e p en d in g   o n   th s ca n n in g   d ir ec tio n ,   i   a n d   j   ar th an te n n elem en ts   in d ex es .   T h a n ten n ar r ay   is   s u p p o s ed   c o n s is t in g   o f   two   an ten n a   elem en ts ,   th en   th e   eq u atio n   ( 6 )   ca n   b r ewr itten   i n   th f o llo win g   f o r m   [ 2 2 ] :      ( , ) = 2 2 { ( 1 2 2 2 ( 1 2 ) 2 + ( 2 1 1 2 ) 2 ) 1 }   ( 7 )     As  d e m o n s tr ate d   i n   t h e   e q u a ti o n ' s   le f t - h a n d   s i d e   ( 7 )   in   cu r l y   b r ac k ets ,   t h e   m ai n   p h y s i ca l   f a ct o r s   d et e r m i n i n g   th e   v a r ia n c ar t h e   s q u ar o f   th g ai n s   o f   th s e n s o r   e le m e n ts ,   j u s li k th ar ea   o cc u p ie d   b y   t h e   e m p lo y ed   an t e n n ar r a y .   T h er ef o r e,   it  is   p o s s ib le  to   in cr ea s th ac cu r a cy   o f   DOA - esti m ates  b y   ch an g in g   o n o r   b o th   o f   th ese  f ac to r s .   On   th e   c o n t r a r y ,   t h e   s m al lest   p o s s i b l e   n u m b e r   o f   an te n n a   e le m e n ts   ca n   b e   co m p e n s at e d   b y   lar g er   g a in ,   o r   b y   b ei n g   l o ca te d   o n   a   la r g e r   a r e a.   F o r   e x a m p l e,   i f   t h e   g a in   o f   e ac h   a n t en n a   is   i n cr ea s ed   twic e,   th e n   t h e   v a r ia n c o f   DOA - es ti m at es  ca n   b r e d u c ed   r a d i ca ll y .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         On   d esig n   o a   s ma ll - s iz ed   a r r a ys fo r   d ir ec tio n - of - a r r iva l - esti ma tio n   ta kin g     ( I lia   P esh k o v )   4645   T h er ef o r e ,   t h e   p r o p o s e d   m et h o d o lo g y   f o r   d esi g n i n g   a n te n n ar r ay s   f o r   DOA - est im ati o n   co n s is ts   o f   s y n th esi zi n g   t h d i r e cti o n a p a tte r n s   o f   in d i v i d u a e le m e n ts   g 1   a n d   g 2   i n   o r d e r   t o   m i n i m iz v a r i an ce   v a r ( θ,   φ   i th e   w o r k s   f a m ili ar   t o   th a u t h o r s ,   wh ic h   c o n ce r n   t h o p ti m i za ti o n   o f   th an te n n a   a r r a y   t o p o l o g y   t o   i n c r ea s e   ac c u r a cy ,   th g ai n   an d   t h e   r a d i ati o n   p at te r n s   o f   t h ar r a y   el e m e n ts   a r e   n o t   a cc o u n te d   f o r   at   all .   C o n s id er   a n   e x am p l e ,   tw o   c ir c u la r   ar r ay   c o n f i g u r ati o n s   ar s t u d ie d 3 - el em en t a n d   2 - ele m e n ar r a y   o f   d i r e cti o n a a n te n n as .   T h e   t a s k   is   t h e   v a r i an ce   o f   th e   est im ates   o f   th e   t h r ee - el em e n t   a r r a y   v a r ( θ ,   φ ) 3   m u s t   b e   eq u a t o   t h e   v a r ia n c o f   t h tw o - el em en t o n v a r ( θ ,   φ ) 2 .   I n   t h is   ca s t h e   s u m   o f   t h g ai n s   o f   th e   el em e n ts   o f   t h e   s ec o n d   a r r ay   m u s t   b e   c o n s is t en t   t o   th s u m   o f   t h e   g ai n s   o f   t h e   t h r ee - e le m e n t   ci r c u l ar   an t e n n ar r a y .   T h e   f o r m u la   o f   t h e   C r a m e r - R ao   l o we r   b o u n d   f o r   t h e   t wo - e le m en t   an te n n a   a r r a y   m u s t   b r e m e m b er e d   ( 7 )   a n d   ex p r ess i o n   f o r   t h e   t h r e e - ele m e n t   a r r a y :     va r ( θ , φ ) 3 σ 2 2K { ( ( g 1 2 g 2 2 ( a 1 ' - a 2 ' ) 2 + g 3 2 g 1 2 ( a 1 ' - a 3 ' ) 2 + g 2 2 g 3 2 ( a 2 ' - a 3 ' ) 2 + ( g 2 ' g 1 - g 1 ' g 2 ) 2 + ( g 3 ' g 1 - g 1 ' g 3 ) 2 + ( g 2 ' g 3 - g 3 ' g 2 ) 2 ) ) - 1 }     ( 8 )     Acc o r d in g   t o   t h co n d it io n   t h e   f o l lo w i n g   e q u at io n   m u s t   b e   m et :      ( , ) 2 =  ( , ) 3     ( 9 )     I n   ad d itio n ,   i is   ass u m e d   t h a t   two -   an d   t h r e e - ele m e n t   cir cu l ar   ar r ay s   ar l o c at ed   at  t h s a m r a d i u s   f r o m   t h e   ce n te r ,   as we l as th n o is p o wer   2   an d   t h n u m b er   o f   s am p l es  K   o f   t h c o r r ela ti o n   m at r ic e s   ar t h e   s a m f o r    ( , ) 2   a n d    ( , ) 3 .   T h u s ,       2 2 { 1 ( 1 2 2 2 ( 1 2 ) 2 + ( 2 1 1 2 ) 2 }   = 2 2 { 1 + }   ( 1 0 )     = ( 1 2 2 2 ( 1 2 ) 2 + 3 2 1 2 ( 1 3 ) 2 + 2 2 3 2 ( 2 3 ) 2   ( 1 1 )     = ( 2 1 1 2 ) 2 + ( 3 1 1 3 ) 2 + ( 2 3 3 2 ) 2 )     ( 1 2 )     h er an d   f u r th er   2   an d   3   ar th r ad iativ ch ar ac ter is tics   o f   th elem en ts   o f   th co n s id er ed   two -   an d   th r ee - elem en t a r r ay s   r esp ec tiv ely .   T h e q u al   ter m s ,   i.e . ,   th e   n o is p o wer   an d   th n u m b er   o f   s am p les  o f   t h co r r elatio n   m at r ix   ca n   b elim in ated ,   th er ef o r it c an   b wr itten   th at:     1 1 2 2 2 ( 1 2 ) 2 + ( 2 1 1 2 ) 2 = 1 1 2 2 2 ( 1 2 ) 2 + 3 2 1 2 ( 1 3 ) 2 + 2 2 3 2 ( 2 3 ) 2 + ( 2 1 1 2 ) 2 + ( 3 1 1 3 ) 2 + ( 2 3 3 2 ) 2   ( 1 3 )     C o n s id er   o n ly   th e   d en o m in ato r s   o f   th ex p r ess io n   ( 13) :     12 2 22 2 + ( 22 12 12 22 ) 2 = 13 2 23 2 + 33 2 13 2 + 23 2 33 2 + ( 23 13 13 23 ) 2 +   ( 33 13 13 33 ) 2 + ( 23 13 23 33 ) 2   ( 1 4 )     Sin ce   it  i s   clea r   th at  th p r o d u ct  o f   th s q u ar es  o f   th r ad iatio n   p atter n s   is   m u ch   g r ea ter   th an   th o th er   ter m s ,   th s im p li f i ca ti o n   ca n   b c o n ti n u ed   a n d :     12 2 22 2 13 2 23 2 + 33 2 13 2 + 23 2 33 2   ( 1 5 )     No w   it  is   r e q u ir e d   t o   d e te r m in t h e   g ai n   o f   t h e   p att e r n   o f   th e   s y n t h es ize d   a n te n n a   a r r a y .   I t   i s   h y p o th esiz e d   t h a t   th e   m ax im u m   v al u e   o f   th p at ter n   o f   t h e   r ec t a n g u l ar   a n te n n a   ele m e n t   is   e q u a t o   6 ,   a n d   t h e   m i n i m u m   v a lu t o   b e   0 . 1 .   T h en   i ca n   b e   w r it te n   t h at :     12 2 0 . 1 22 2 6 13 2 0 . 1 23 2 + 0 . 1 33 2 6 13 2 + 0 . 1 23 2 0 . 1 33 2   ( 1 6 )     12 2 6 13 2 0 . 1 23 2 + 0 . 1 33 2 6 13 2 + 0 . 1 23 2 0 . 1 33 2 0 . 1 22 2   ( 1 7 )     Af t er   s i m p le   c al cu lati o n s   it   c a n   b cla im e d   t h at   12 = 8 . 5 T h e   v alu e   m ak es   it   p o s s i b le   t o   o b t ai n   t h ac c u r a cy   u s i n g   s m a lle r   n u m b e r   o f   an ten n a   ele m e n ts .   He r e ,   th e   m is s in g   e le m e n ts   a r e   c o m p e n s at ed   b y   m e a n s   o f   a   h i g h e r   g a in ,   as   it   ca n   b e   s e en   f r o m   t h e   C R L B   f o r m u l ( 8 ,   1 0 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   5 Octo b e r   20 25 :   4 6 4 2 - 4 6 5 2   4646   I t   m a y   b e   s t ate d ;   th e   p r o p o s e d   a p p r o ac h   al lo ws   d esi g n i n g   an t e n n a   a r r a y s   h a v i n g   r ad iat i o n   p att er n s   wh i ch   m i n i m iz th v ar i a n ce   i n   s p atia c o o r d i n at esti m a tes .   O n   th c o n tr ar y ,   it  ca n   b u t il ize d   t o   ev al u at e   t h e   ac c u r a cy   o f   e x is t in g   a r r a y s   b y   m ea n s   o f   t h e   cl o s e d   f o r m   eq u a ti o n s .   T h v ar ian ce   b ase d   o n   ( 7 ) - ( 8 )   f o r   th s p atial  co o r d in ate  in   az im u th   e q u al  to   9 0 ° ca n   b e   ca lc u l ate d   u s in g   ( 1 8 )   an d   ( 1 9 ) :      ( = 9 0 ) 2 _  1 12 2 22 2 1 2 . 3 12 2 1 . 4 22 2 0 . 096 4   ( 1 8 )      ( = 9 0 ) 3 1 13 2 23 2 + 33 2 13 2 + 23 2 33 2 1 4 . 6 13 2 0 . 2 23 2 + 0 . 2 33 2 4 . 6 13 2 + 0 . 2 23 2 0 . 2 33 2 0 . 590 2   ( 1 9 )     As  it  ca n   b s ee n   f r o m   ex p r e s s io n s   ( 1 8 ) - ( 1 9 ) ,   ac co r d in g   to   th C R L B   an d   th p r o p o s ed   m eth o d o lo g y ,   th e   v ar ian ce   o f   th esti m ates u s in g   th d u al - elem en t a r r a y   will p r o m o te  s m aller   v alu es in   co m p ar is o n   with   th tr i - elem en d ig ital  an ten n ar r a y .   W ith   all  th is ,   th er will  o n ly   b e   m u tu al   r elatio n s h ip s   b etwe en   d if f er en g eo m etr ies  o f   an ten n ar r ay s ,   am o n g   wh ich   c o m p a r is o n s   ca n   b e   m ad e   an d   th en   th b est  o n ca n   b s elec ted   f r o m   th e   p o in o f   v iew  o f   o b ta in in g   h ig h   ac cu r ac y   o f   th DO A - esti m atio n .   No w,   b ased   o n   th o b tain ed   a n ten n g ain   v alu e ,   r ad iatio n   p atter n   m u s b s y n th esized   s atis f y in g   th r eq u ir em e n ts .   I n   ad d itio n ,   th p r o p o s ed   h y p o th esis   will  b co n f ir m ed   b y   f u lf illi n g   c o m p ar ativ m o d elin g .   T h r esu lts   ar g iv en   b elo in   th s ec tio n   3 .       3.   P E RF O RM A NCE A NAL YS I S   3 . 1   Sim ula t i o n study   o f   t he  pro po s ed  m et ho do lo g y     I n   t h s ec ti o n   t h in tr o d u ce d   s tr a te g y   o f   d esi g n i n g   a n   th d u al - elem en ar r a y   f o r   D OA - esti m ati o n   wit h   s u p e r - r eso lu ti o n   is   will  b a p p r o v ed   v ia  s im u latio n   s tu d y .   A   c ir cu la r   a n t en n a   a r r a y   o u o f   t h r ee   d i r e cti o n al   ele m e n ts   is   u s ed   f o r   th e   c o m p ar is o n .   I n   o r d e r   t o   o b t ai n   t h e   s am e   ac c u r ac y   a s   t h e   th r e e - el em en t   ar r a y .   E a ch   an te n n a   o f   t h e   d u al - ele m e n t   a r r a y   wil h av e   g ai n   e q u a to   12 = 8 . 5   as  it  was  p r o v en   in   th p r ev io u s   p a r t .   T h f o ll o w in g   a n te n n a   a r r a y   s t r u ct u r e   is   p r o p o s e d   f o r   DO A - esti m a ti o n ,   as  r e p r es en te d   i n     Fig u r e   2.   As   c a n   b e   s e en   f r o m   Fi g u r e   2 ,   ea ch   a n te n n a   o f   t h e   ar r a y   m u s t   h av e   r a d ia ti o n   p att er n s   w h i ch   h a v e   t o   b e   s y n t h esi ze d   a n d   p o s s ess   t h g ai n   12 = 8 . 5   in   o r d er   t o   m i n im iz e   ( 7 ) .   T h e   p r o p o s ed   p a tte r n s   d e cr ea s i n g   DOA - esti m a ti o n   e r r o r s   a r e   s h o wed   i n   Fi g u r e   3 .             Fig u r 2 Pro p o s ed   d ig ital a n t en n ar r a y   d esig n   f o r   DOA - es tim atio n   with   two   an ten n a   elem en ts   f o r   3 6 0 °  s ca n n in g   o n   az im u th       Fig u r 3 ( a )   r e v e als  th p e ak   v a lu es   a r e   p ic k e d   u p   i n   s u ch   w ay   t h at   t h e y   c o i n ci d wit h   th m i n im al  o f   th e   p at te r n   o f   t h n e ig h b o r i n g   ele m e n t .   At   t h e   s a m e   ti m e ,   t h e   m ai n   p a r t   o f   t h e   g ai n   is   f o c u s ed   i n   wi d e   az i m u th   r a n g e.   tem p late   r a d ia ti o n   p att er n   is   s h o wn   i n   Fi g u r 3 ( a )   t h at   wil b u s e d   f o r   a n t e n n s y n th esis .   Fu r th e r   t h es r a d ia ti o n   p att e r n s   a r u til ize d   to   s y n t h esiz li n e ar   a n t en n a r r a y ,   w h ic h   is   c o n s is ts   o f   t e n   d i r e cti o n al   el em en ts   wi th   u n i f o r m   h al f - wa v i n t er ele m e n d is ta n c e.   T h e   li n e ar   a n t en n a   ele m e n t   s h o w n   in   Fig u r 2   c o n s is ts   o f   d ir ec t io n al   a n t e n n ele m e n ts .   Ma t h e m at ica ll y ,   t h e   s p ati al   p att er n   o f   ea ch   e le m e n t   is   d e f i n e d   as   ( 20 )   [ 2 3 ] :     ( , ) = 2 2 ( 1 +  ( ) ) ( 1 +  ( 2  ) ) ,   ( 2 0 )     wh er D   is   th d ir ec tiv ity ,   m   c o n tr o ls   D .         DOA - e sti m atio n  p rocess o r   An ten n a E lem en 1   An ten n a E lem en 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         On   d esig n   o a   s ma ll - s iz ed   a r r a ys fo r   d ir ec tio n - of - a r r iva l - esti ma tio n   ta kin g     ( I lia   P esh k o v )   4647   T h r a d ia ti o n   p atter n   of   th e   lin ea r   ar r ay   c o n s is tin g   o f   ( N   =   1 0 )   d ir ec tio n al   elem en ts   with o u tak in g   in to   ac co u n t m u tu al  c o u p lin g   ca n   b o b tain ed   as  ( 21 )     ( ) = ( ) ( ( 1 )  ( + ) ) = 1 ,   ( 2 1 )     T h lin ea r   ar r a y   h as  in ter - ele m en s p ac in g   d ,   w h er ea ch   n - th   elem en is   weig h ted   b y   am p litu d aₙ   a n d   p h ase  βₙ.  T h eir   in d iv id u al  r ad iatio n   p atter n s   g ₙ( θ)   is   ch a r ac ter ized   b y   ( 8 ) .   g en etic   o p ti m i za ti o n   alg o r i th m   is   a p p li ed   t o   s y n th esi ze   t h p att er n s   o f   t h e   e n ti r li n ea r   a r r a y   b y   m ea n s   o f   MA T L AB   o p ti m i za tio n   t o o l b o x   [ 2 4 ] .   T h e   r elat iv e r r o r   w h ic h   is   d i f f e r e n c e   b e twee n   t h e   r esu lti n g   f ie ld   le v e a n d   t h in te n d e d   p at te r n   v al u ac r o s s   t h M   c o m m o n   s a m p li n g   p o i n ts   is   c alc u l ate d   u s i n g   t h e   f o r m u la   ( 22 ) :     e m = E act ual ( θ m ) - E d es i r ed ( θ m ) , i = 1 , 2 , . . . , M     ( 2 2 )     wh er E(θ m )   d e n o tes  th elec tr ic  f ield   lev el  o f   th e   lin ea r   a r r ay   at  p o in with   az im u th   co o r d in ate  θ m .   T h e   v alu o f   least m ea n   s q u ar es is   u s ed   as th o b jectiv f u n ctio n   ac co r d in g   to   th f o llo win g   e x p r ess io n   [ 2 5 ] :     ( 1 , , , 1 , , ) = ( 1 | | 2 = 1 ) ( 1 / 2 )   ( 2 3 )     T h v a l u es   o f   p h ase   β n   an d   a m p lit u d e   e x c ita ti o n   a n   o f   t h e   li n ea r   ar r a y   f ee d i n g   n etw o r k   a r e   o p ti m iz ed .   Fo ll o w in g   o p ti m iz ati o n ,   t h d ete r m in e d   p ar a m et er s   ( p h ase  s h i f ts   βₙ   a n d   a m p lit u d att en u ati o n s   aₙ )   ap p e a r   i n   T a b le   1 .       T ab le  1 .   T h v alu es o f   p h ases   an d   am p litu d es f o r   lin ea r   an te n n ar r a y   A n t e n n a   e l e m e n t   i n d e x   ( n )   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   P h a s e   ( β n ) ,   d e g .   - 2 7 9 . 0 2   2 9 8 . 6   1 4 0 . 4   3 5 9 . 9 9   - 2 5 5 . 6 7   - 3 4 2 . 9 7   1 3 7 . 2 2   - 4 9 . 1 6   - 2 5 6 . 9   2 5 3 . 5   A m p l i t u d e   ( α n )   0 . 9 9 9   1   1   0 . 9 9 9   0 . 9 9 9   0 . 9 9 9   0 . 9 9 9   0 . 9 9 9   0 . 9 1 2   0 . 8 5 2       As  e v i d e n f r o m   F i g u r e   3 ( b )   th s y n t h esi ze d   l in ea r   ar r a y s   r a d i ati o n   p a tte r n   c lo s el y   m atc h es   t h e   r e f e r e n c e   p att er n .   A n   o b v i o u s   p e ak   i n   t h e   - 5 °  to   5 °   a zi m u th   i s   m a n if esti n g ,   as  wel as   g ai n   f r o m   - 9 0 °   t o   9 0 °   to   ac h iev in ten d ed   az im u th al  c o v er ag e .   I n   a d d it io n ,   it   was   p o s s i b le   t o   o b tai n   t h e   r a d i ati o n   p at te r n   o f   t h e   li n e a r   ar r a y   th at  a r h i g h e r   th a n   t h o s o f   t h s in g l a n te n n a ,   s u c h   as,   f o r   e x am p l e,   a   r ec t an g u lar   m ic r o s tr ip .   T h e   ac h ie v e d   g a in   is   t h e   b asis   f o r   r e d u ci n g   t h e   er r o r   v a r i a n ce   o f   DOA - es ti m ati o n   as   it   c an   b r e ali ze d   f r o m   ( 7 ) T h u s ,   th s teer in g   v ec to r   ( )   f o r   t h two - elem en t a r r ay   is   g iv e n   b y :     ( ) = [ ( ( 2 ) ( ( 1 )  ( + 2 ) ) = 1 ) 2  ( 2 ) ( ( + 2 ) ( ( 1 )  ( + + 2 ) ) = 1 ) 2  ( + 2 ) ]   ( 2 4 )     wh e r e   r   is   th d is ta n c b etwe e n   a n te n n a   el em e n ts ,   β n   a n d   a n   ar g iv en   i n   T ab le  1 .           ( a )   ( b )     Fig u r 3 .   R ad iatio n   p atter n s   o f   d esig n ed   an te n n elem en ts   ( a )   in ten d ed   r ad iatio n   p atter n s   ( r ed   an d   b lu ar in d icate d   f o r   co r r esp o n d i n g   an ten n elem en ts )   an d   ( b )   r ad iati o n   p atter n s : b l u   tem p late,   r ed     lin ea r   an ten n ar r ay ,   y ello   co m m o n   an ten n a   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   5 Octo b e r   20 25 :   4 6 4 2 - 4 6 5 2   4648   Fu r th e r   a   s i m u la ti o n   is   f u l f il l ed   i n   o r d er   t o   v er if y   th h y p o t h esis .   T h s u p er - r eso lu tio n   alg o r ith m   MU SIC  ( 4 )   is   u tili ze d   to   esti m ate  th s p atial  co o r d in ates  o f   s ig n al  s o u r ce .   T h c o r r elatio n   m atr ix   ( 3 )   u s es  1 0 0   s am p les  with   0   d B   s ig n al - to - n o is r atio .   T h s ig n al' s   az im u th   co o r d in ate  v ar ies  f r o m   0 °  to   1 8 0 °,  an d   we   co m p u te  th e   R MSE   at  ea ch   an g u lar   p o s itio n :       = 1 1 ( ̂ ) 2 = 1   ( 2 5 )     T h u s ,   t h e   s i m u lat io n   p r o ce s s   g o es  th r o u g h   s ev e r al   s ta g es .   At  t h e   f ir s t   s t ag e,   t h v ar ia n c e   is   s e u s i n g   (7 )   a n d   ( 8 ) .   T h e n   i is   n ec ess a r y   t o   ca lc u la te   t h g ai n   o f   t h e   an t e n n p a tte r n   in   t h e   s a m e   w ay   as   ( 8 )   t o   ( 1 7 )   i n   o r d er   t o   o b tai n   th ac c e p ta b l e   le v el   o f   v ar ia n c e   f r o m   t h e   p r e v i o u s   s t ep .   T h o b ta in e d   v a lu es   o f   g ( θ ,   φ)   a r e   s u b s tit u t ed   i n   ( 1 )   a n d   ( 2 4 ) .   A t   t h e   las s te p ,   t h e   p r e d e f i n e d   s ig n al   co o r d in at es  ar ca l c u la te d   ac co r d i n g   to   е р у   ex p r ess i o n s   ( 2 )   t o   ( 4 ) .   T h e   p r o ce s s   c o n ti n u es  to   o b tai n   ( 2 5 ) .   Fig u r 4   r ep r esen ts   cir cu lar   ar r ay s   co n s is tin g   o f   two   ( Fig u r 4 ( a) )   an d   th r ee   ( Fig u r 4 ( b ) )   d ir ec tio n al  elem en ts   r esp ec tiv ely .   Fu r th e r   th ey   ar e   co m p ar ed   with   th ar r ay   d e m o n s tr ated   in   Fig u r 2 .   T h s in g le - elem en t r ad iatio n   p atter n   o f   th e   cir cu lar   ar r a y s   f r o m   Fig u r 4   is   o b tain ed   f r o m   ex p r ess io n   8   f o r   D   6   db   T h r a d i ati o n   p a tte r n s   o f   ci r c u la r   a r r a y s   o f   tw o   a n d   t h r e e lem en ts   ar s h o w n   in   Fi g u r 5 ( а )   t o   5 ( c )   d e p i cts  t h e   o b t ai n e d   f la t - to p   p atte r n .   Fig u r 5   r ev ea ls   th cir cu lar   an ten n ar r ay s   f r o m   Fig u r 4 ( a)   a n d   4 ( b )   h av r ad iatio n   p atter n s   in   wh ich   lo ca m ax im co in cid wi th   lo ca m in im a.   C o n s eq u en tl y ,   th eir   p r o d u ct  is   m in im al.   At  th e   s am tim e,   a s   ev id en f r o m   Fig u r 5 ( c) ,   t h m ax im u m   is   d is tr ib u ted   al o n g   th az im u th   in   o r d er   to   r ec eiv th s ig n al  u n i f o r m ly   o v er   th e   en tire   r an g e.   I n   ad d itio n ,   th m ax im u m   h er e   h as  g r ea ter   v alu e   in   o r d e r   to   co m p en s ate  f o r   th m in im u m   g ai n   o f   t h n eig h b o r in g   elem en t.    I n   Fig u r 6   s ev er al  c u r v es  o f   R MSE   o f   th MU SIC  m eth o d   ar s h o wn   f o r   th f o llo win g   ty p es  o f   d ig ital   an ten n ar r ay s th e   t wo - elem en a r r ay   f r o m   Fig u r 2 ,   as  well  as   th e   cir cu lar   ar r ay s   d e p ic te d   i n     Fig u r 4 .   Fi g u r 6   d e m o n s tr ates   t h a th e   p r o p o s e d   d i g i tal   a r r a y   d esi g n   m e th o d   r e d u ce s   R MS E   ac r o s s   all   az i m u th   s c an n i n g   a n g les  wh il m ai n t ai n i n g   a cc u r ac y   c o m p ar ab le  to   ( o r   b ette r   t h a n )   t h e   tr i - e le m e n ci r c u l ar   ar r a y .   T h e   R MSE   o f   t h es tim ates o f   t h e   p r o p o s ed   d u al - el em en t   a n t en n a   a r r a y   h a v i n g   t h s y n t h esi ze d   p at te r n s ,   wh i ch   is   s h o wn   i n   Fi g u r 5 ( с ) ,   h as  v al u o f   ab o u 1 ° ,   w h i c h   c o r r es p o n d s   t o   t h e   ci r c u l a r   a n te n n a r r ay   o f   t h two   e le m e n ts   ( Fi g u r 4 ( b ) )   h av i n g   r a d ia ti o n   p a tte r n s   as   i n   Fi g u r e   5 ( b ) .   T h u s ,   t h s im u l ati o n   co n f i r m e d   th e   co r r ec tn ess   o f   th p r o p o s ed   m eth o d   o f   d esi g n i n g   a n t e n n ar r a y s   f o r   D OA - esti m a ti o n .   At   th e   s a m e   t im e,   t h e   er r o r   v al u es   o b tai n ed   a n a ly tic a lly   f r o m   s ec ti o n   2   c o i n c id e   wit h   th g r a p h   in   Fi g u r 6 .             ( a)   ( b )     Fig u r 4 .   C ir cu lar   a n ten n a r r ay s   co n s is tin g   o f   ( a)   two   an d   ( b )   th r ee   elem e n ts             ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r 5 .   T h s im u lated   r a d iatio n   ch ar ac ter is tics   o f   th d ig it al  an ten n ar r ay   ( a )   d ep icted   in   Fig u r 4 ( a) ,     ( b )   illu s tr ated   in   Fig u r 4 ( b ) ,   a n d   ( c)   p r esen ted   i n   Fig u r 3       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         On   d esig n   o a   s ma ll - s iz ed   a r r a ys fo r   d ir ec tio n - of - a r r iva l - esti ma tio n   ta kin g     ( I lia   P esh k o v )   4649       Fig u r 6 .   R o o t m ea n   s q u ar er r o r s   o f   th e   co n s id er e d   d ig ital a n ten n ar r ay s         3 . 2   Sim ula t io n o f   DO A - estim a t o r   pro t o t y pe   No in   th is   s ec tio n   th a p p r o ac h   ex p lain e d   in   th s ec tio n   2   is   im p lem en ted   b y   m ea n s   o f   t h Me th o d   o f   m o m en ts .   T h m eth o d   allo ws  o b tain in g   an ten n as  th at  ar clo s est  to   r ea l   s am p les .   T h ex am p le  o f   d ev elo p in g   m icr o s tr ip   an te n n ar r ay   with   a   s y n th esized   r ad iatio n   p atter n   w h ich   m a x im ally   r ed u ce s   th e   v ar ian ce   o f   th DOA - esti m atio n   is   d escr ib ed .   C o n s id er   t wo - elem en an ten n ar r ay   a n d   its   elem en ts   p atter n   s h o wn   in   Fig u r 7 .   T h cir cu it  i n   Fig u r 7 ( a)   h as  two   an ten n as,  i . e. An te n n 1   an d   An ten n a   2 .   An   id ea liz ed   p er f ec co n d u ct o r   ( PEC)  m ater ial  is   u s ed   as  an   em itter .   E ac h   an ten n is   r ep r esen ted   in   Fig u r 7 ( b )   an d   m u s h av a   r ad iatio n   p atter n   illu s tr ated   i n   Fig u r 5 ( c ) .   T h is   d ir ec tio n al  p atter n   ca n   b ac h iev ed   u s in g   s ev er al  an ten n a   elem en ts ,   p h ase  s h if te r s   an d   am p lifie r s   th at  p er f o r m   th p h ase   s h if t   β n   a n d   a m p li tu d e   e x cit ati o n   a n .   T h e   s y n th esized   r ad iatio n   p atter n   o f   th an ten n in   Fig u r 7 ( b )   is   d ep icted   in   Fig u r 7 ( c) .   T h o p tim izatio n   is   f u lf illed   ac co r d in g   to   ( 2 2 )   an d   ( 2 3 ) .   T h ch ar ac ter is tics   o f   th an ten n ar r ay s   d escr ib ed   in   th is   s ec tio n   ar o b tain ed   u s in g   th e   m eth o d   o f   m o m e n ts   b y   MA T L AB   an ten n to o lb o x   [ 2 6 ] .   T h c a lcu lated   am p litu d e   ex citatio n s   an d   p h ase  s h if ts   f o r   o b tain in g   th r a d iatio n   p atter n   ar g iv e n   in   T a b le  2 .         ( a)         ( b )   ( c)     Fig u r 7 .   T wo   elem en t D OA - esti m ato r   ( a)   s k etch ,   ( b )   its   an t en n elem en t,  a n d   ( c )   p atter n   o f   an   elem e n t         Dig ital   DOA - esti m atio n  p rocess o r   An alo g   b eam for m in g   An ten n a 1   An ten n 2   Ph ases h ifter s   Am p lifie rs   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   5 Octo b e r   20 25 :   4 6 4 2 - 4 6 5 2   4650   T ab le  2 .   T h v alu es o f   p h ases   an d   am p litu d es f o r   a n ten n a r r ay   d ep icted   i n   Fig u r 7 ( b )   A n t e n n a   e l e m e n t   i n d e x   ( n )   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   P h a s e   ( β n ) ,   d e g .   1 2 3 . 9   1 . 4   - 2 5 2 . 1   - 1 . 5   2 7 0 . 8   - 4 . 9   - 88   3 0 5 . 4   92   3 4 5 . 4   A m p l i t u d e   ( α n )   0 . 4   1 . 4   1 . 8   0 . 6   3   3   2 . 8   0 . 8   2 . 1   1 . 6       I n   ad d itio n ,   th d u al -   an d   tr i - elem en cir cu la r   an te n n a r r ay s   ar c o n s id er ed   in   Fig u r e   5 ,   w h ich   co n s is o f   r ec ta n g u lar   p atch   a n ten n as,  wh ich   ar e   s h o wn   in   F ig u r 8 ( a)   an d   its   p atter n   in   Fig u r 8 ( b ) .   As  it  ca n   b s ee n   in   Fig u r e   8 ( d ) ,   th p a tch   elem en h as  th e   g ain   eq u a to   4 . 7   d B wh ile  th e   g ain   o f   th a n ten n a   f r o m   Fig u r 7 ( b )   is   ap p r o x .   7   d B th at  ca n   b e   v iewe d   i n   Fig u r e   7 ( c) .   At  th s am tim e ,   it  is   co n ce n tr ated   in   wid e   az im u th   r an g e .   T h u s ,   th h y p o th esis   is   th at  th d esig n ed   an ten n ar r a y   will  allo esti m atio n   d ir ec tio n - of - ar r iv al  co o r d in ates w ith   h ig h e r   ac cu r ac y .   T h f o llo win g   f i g u r s h o ws th g r ap h s   o f   th p s eu d o s p ec tr u m   o f   th e   MU SIC  m eth o d   f o r   th an te n n ar r ay s   u n d er   co n s id er atio n th two - elem en ar r ay   ( b lu e   cu r v e) ,   t h th r ee - elem en cir cu lar   ( r e d   c u r v e)   an d   th e   two - elem en t   cir cu lar   d ig ital  a n ten n a   ar r a y   ( y ello cu r v e ) .   T h e   co o r d in ate  o f   th s ig n al  in   th e   az im u th al  p lan is   eq u al  to   7 5 °,  SNR =5   d B .   T h u s ,   th s tee r in g   v ec to r   ( 1 )   an d   th s p atial  co r r elatio n   m atr ix   ( 3 )   ar ca lcu lated   u s in g   th m o d if ied   r ad iatio n   p atter n s   g ( θ)   a f ter   th m eth o d - of - m o m en t s .             ( a)   ( b )     Fig u r 8 .   E lectr o d y n am ic  m o d el  o f   th elem en ts   o f   th cir c u lar   an ten n a r r ay   ( a)   r ec ta n g u la r   p atch   an te n n b ased   o n   R O4 7 3 0 J XR   d ielec tr ic  an d   ( b )   its   d ir ec tio n al  p atter n       As  it  ca n   b s ee n   f r o m   Fig u r 9 ,   th two - elem en an ten n ar r ay   s h o wn   in   Fig u r 7 ( a)   an d   p o s s ess in g   th elem en ts   r ad iatio n   p atter n s   d ep icted   in   Fig u r 7 ( c) ,   allo ws  o b tain in g   s p atial  p s eu d o s p ec tr as  s h ar p   as  th e   th r ee - elem en cir cu lar   an ten n ar r ay .   T h is   is   ex p lain ed   b y   th f ac th at  th elem en ts   An ten n 1   an d   An ten n 2   h av e   th g ain s   wh ich   ar g r ea ter   th a n   th el em en ts   o f   th e   cir cu lar   a n ten n ar r ay ,   i.e . ,   7   d B i   ( Fig u r 7 ( c) )   an d   4 . 7   d B ( Fig u r 8 ( b ) )   r esp ec tiv ely .   T h u s ,   as  d ep icted   in   Fig u r e   9 ,   h ig h er   g ai n   r esu lts   in   h ig h er   ac cu r ac y   in   DOA - esti m atio n .   B ased   o n   th p r o ce d u r d escr ib ed   in   s ec tio n s   2   an d   3   th an ten n ar r ay   p r o to ty p is   im p lem en ted   a n d   th r esu lts   ar co n s is ten t .   T h im p lem en te d   s ch em e   ca n   b n a m ed   as   b ea m s p ac e   [ 2 7 ] ,   [ 2 8 ]           Fig u r 9 T h p s eu d o s p ec tr u m   o f   MU SIC   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         On   d esig n   o a   s ma ll - s iz ed   a r r a ys fo r   d ir ec tio n - of - a r r iva l - esti ma tio n   ta kin g     ( I lia   P esh k o v )   4651   4.   CO NCLU SI O N   T h p ap e r   d etails  m eth o d   f o r   d esig n in g   t h d ig ital  an te n n ar r ay s   f o r   in cr ea s in g   DOA - esti m atio n   ac cu r ac y   with   s u p er - r eso lu tio n .   Un lik e   th e   r ef er e n ce d   m et h o d s ,   th p r o p o s ed   d esig n   a p p r o ac h   ac co u n ts   f o r   th g ain   an d   d ir ec ti o n al  p atter n s   o f   in d i v id u al  a n ten n a   ele m en ts .   C o m m o n l y ,   th e y   f o cu s   o n   c r ea tin g   n ew   DOA - esti m atio n   m eth o d s ,   ad d in g   m o r an te n n as,  o r   o p ti m izin g   ar r ay   lay o u ts ,   wh ile  n eg lectin g   an ten n a - s p ec if ic  p r o p er ties   b y   tr ea ti n g   th em   as  o m n id ir ec tio n al.   I h as  b ee n   s h o wn   b ased   o n   s im u latio n s   an d   an aly tical  ex p r ess io n s   th at  th h ig h er   g ain   c o m p e n s ates  f o r   th lack   o f   a n ten n as.  Fo r   ex am p le,   th g ain   eq u alin g   to   8 . 5   m ak es  it  p o s s ib le  to   o b tain   th s am e   DOA - esti m atio n   ac cu r ac y   as  an   an te n n ar r ay   co m p o s ed   o f   m o r elem en ts   h av in g   th g ain   eq u alin g   to   6 .   Ad d itio n ally ,   th is   tech n i q u h as  b ee n   u tili ze d   f o r   d esig n in g   h y b r id   ar r a y   ar c h itectu r f o r   d ir ec tio n - of - ar r i v al  esti m atio n   with   s u p er - r eso lu ti o n .   M o d elin g   b ased   o n   th e   Me th o d - of - Mo m en ts   in co n test ab ly   d em o n s tr ated   th at  th e   h y b r id   ar r ay   with   f ewe r   a n ten n ele m en ts   d o es  n o r esu lt  in   d e clin in   th DOA - esti m atio n   ac cu r ac y .   As  r e s u lt,  th r ed u ce d - elem en a n t en n ar r a y   allo ws  ac h iev in g   th s am lev el  o f   ac cu r ac y   in   DOA  esti m atio n .   I n   o th er   w o r d s ,   th p r o p o s ed   ap p r o ac h   ca n   b e   im p lem en ted   in   p r ac tice  as  b ea m   s p ac e   h y b r i d   co n s tr u ctio n .   T h u s ,   it  ca n   b a r g u e d   th at  th e   c o n s id er ed   tech n iq u e   ca n   b e   u s ed   as  th eo r etica s u b s tan tiatio n   f o r   th d esig n   o f   s en s o r   ar r a y s   f o r   s p ec tr al  s p atial  p r o ce s s in g .   T h u s ,   in   th p ap er   t h m eth o d o l o g y   o f   th d esig n   f l o o f   ar r ay s   f o r   DOA - esti m atio n   with   s u p er - r eso lu tio n   h as  b ee n   r ep r esen ted ,   b eg in n in g   f r o m   th an aly tic al  an aly s is   o n   th clo s ed - f o r m   eq u atio n s   u p   to   th p r o to ty p in g   clo s to   ex p er im en tal  s o lu tio n s .   Ad d itio n ally ,   it  h an d les  th lo ca tio n   o f   th a n ten n as,  th r a d iatio n   p atter n s   o f   th e   elem en ts ,   th v alu o f   DOA - esti m atio n   er r o r s   s im u ltan eo u s l y .   All  th at  allo ws  m o v in g   f r o m   an   ab s tr ac m o d el   to   f in al  p r o to ty p v iv id l y .       RE F E R E NC E S   [ 1 ]   B .   Y a n g ,   Z.   Y u ,   J.  La n ,   R .   Z h a n g ,   J.  Zh o u ,   a n d   W .   H o n g ,   D i g i t a l   b e a mf o r mi n g - b a s e d   m a ssi v e   M I M O   t r a n sc e i v e r   f o r   5 G   mi l l i m e t e r - w a v e   c o mm u n i c a t i o n s ,   I EEE  T r a n sa c t i o n s   o n   M i c r o w a v e   T h e o ry   a n d   T e c h n i q u e s ,   v o l .   6 6 ,   n o .   7 ,   p p .   3 4 0 3 3 4 1 8 ,   J u l .   2 0 1 8 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / t m t t . 2 0 1 8 . 2 8 2 9 7 0 2 .   [ 2 ]   N .   R u a n ,   H .   W a n g ,   F .   W e n ,   a n d   J .   S h i ,   D O A   e s t i m a t i o n   i n   B 5 G / 6 G :   Tr e n d s   a n d   c h a l l e n g e s,   S e n s o rs ,   v o l .   2 2 ,   n o .   1 4 ,   p .   5 1 2 5 ,   Ju l .   2 0 2 2 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / s2 2 1 4 5 1 2 5 .   [ 3 ]   W .   Y i ,   S .   W e i ,   a n d   Y .   X u ,   A n   i mp r o v e   m mW   a u t o m o t i v e   r a d a r   D O A   e st i m a t i o n   a p p r o a c h :   J o i n t   m a t r i x   c o m p l e t i o n   a n d   sp e c t r u e x t r a p o l a t i o n ,   i n   2 0 2 4   I EE 1 7 t h   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e re n c e   o n   S i g n a l   Pr o c e ssi n g   ( I C S P) ,   O c t .   2 0 2 4 ,   p p .   1 6 1 9 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / i c sp 6 2 1 2 9 . 2 0 2 4 . 1 0 8 4 6 2 4 5 .   [ 4 ]   Y .   F a n g ,   X .   W e i ,   a n d   J.   M a ,   H i g h - p r e c i si o n   D O A   e st i ma t i o n   b a se d   o n   sy n t h e t i c   a p e r t u r e   a n d   s p a r se   r e c o n st r u c t i o n ,   S e n so rs v o l .   2 3 ,   n o .   2 1 ,   p .   8 6 9 0 ,   O c t .   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / s 2 3 2 1 8 6 9 0 .   [ 5 ]   Y .   W a n g ,   G .   G u i ,   H .   G a c a n i n ,   T.   O h t su k i ,   O .   A .   D o b r e ,   a n d   H .   V .   P o o r ,   A n   e f f i c i e n t   sp e c i f i c   e m i t t e r   i d e n t i f i c a t i o n   met h o d   b a se d   o n   c o m p l e x - v a l u e d   n e u r a l   n e t w o r k s   a n d   n e t w o r k   c o m p r e ss i o n ,   I EEE   J o u rn a l   o n   S e l e c t e d   Are a s   i n   C o m m u n i c a t i o n s ,   v o l .   3 9 ,     n o .   8 ,   p p .   2 3 0 5 2 3 1 7 ,   A u g .   2 0 2 1 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / j sac . 2 0 2 1 . 3 0 8 7 2 4 3 .   [ 6 ]   V .   Ja n o u d i   e t   a l . ,   A n t e n n a   a r r a y   d e s i g n   f o r   c o h e r e n t   M I M O   r a d a r   n e t w o r k s,”   i n   2 0 2 3   I EEE   R a d a r   C o n f e re n c e   ( R a d a rC o n f 2 3 ) M a y   2 0 2 3 ,   p p .   1 6 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / r a d a r c o n f 2 3 5 1 5 4 8 . 2 0 2 3 . 1 0 1 4 9 7 8 9 .   [ 7 ]   D .   B o n a c c i ,   F .   V i n c e n t ,   a n d   B .   G i g l e u x ,   R o b u st   D o A   e st i ma t i o n   i n   c a se   o f   mu l t i p a t h   e n v i r o n m e n t   f o r   a   s e n s e   a n d   a v o i d   a i r b o r n r a d a r ,   I ET  Ra d a r,  S o n a N a v i g a t i o n ,   v o l .   1 1 ,   n o .   5 ,   p p .   7 9 7 8 0 1 ,   M a y   2 0 1 7 ,   d o i :   1 0 . 1 0 4 9 / i e t - r sn . 2 0 1 6 . 0 4 4 6 .   [ 8 ]   L.   C .   G o d a r a ,   A p p l i c a t i o n   o f   a n t e n n a   a r r a y s   t o   mo b i l e   c o m mu n i c a t i o n s.   I I .   B e a m - f o r mi n g   a n d   d i r e c t i o n - of - a r r i v a l   c o n si d e r a t i o n s,   Pr o c e e d i n g o f   t h e   I EEE ,   v o l .   8 5 ,   n o .   8 ,   p p .   1 1 9 5 1 2 4 5 ,   1 9 9 7 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / 5 . 6 2 2 5 0 4 .   [ 9 ]   J. - F .   G u ,   S .   C .   C h a n ,   W . - P .   Z h u ,   a n d   M .   N .   S .   S w a m y ,   D O A   e s t i m a t i o n   a n d   t r a c k i n g   f o r   si g n a l w i t h   k n o w n   w a v e f o r v i a   sy mm e t r i c   sp a r se  s u b a r r a y s,   i n   2 0 1 2   I EEE   5 5 t h   I n t e rn a t i o n a l   M i d w e s t   S y m p o s i u m   o n   C i r c u i t a n d   S y st e m ( MW S C A S ) ,   A u g .   2 0 1 2 ,   p p .   9 5 2 9 5 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / M W S C A S . 2 0 1 2 . 6 2 9 2 1 7 9 .   [ 1 0 ]   C .   S t ö c k l e ,   J.   M u n i r ,   A .   M e z g h a n i ,   a n d   J.   A .   N o ss e k ,   D o A   e s t i m a t i o n   p e r f o r man c e   a n d   c o m p u t a t i o n a l   c o mp l e x i t y   o f   s u b s p a c e -   a n d   c o mp r e sse d   se n si n g - b a s e d   m e t h o d s ,   Pr o c e e d i n g o f   1 9 t h   I n t e r n a t i o n a l   I T G   W o rks h o p   o n   S m a r t   An t e n n a s,   WS 2 0 1 5   2 0 1 5 .   [ 1 1 ]   N .   Z .   K a t z ,   M .   K h a t i b ,   Y .   B e n - H o r i n ,   J.   D .   R o s e n b l a t t ,   a n d   T.   R o u t t e n b e r g ,   G e o m e t r y   d e si g n   f o r   D O A   e st i m a t i o n   i n   s e i s mi c   2 D - a r r a y s :   S i m u l a t i o n   st u d y ,   I E EE  A c c e ss ,   v o l .   1 2 ,   p p .   3 5 8 2 7 3 5 8 4 3 ,   2 0 2 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / a c c e ss . 2 0 2 4 . 3 3 7 1 9 7 7 .   [ 1 2 ]   O .   La n g e   a n d   B .   Y a n g ,   A n t e n n a   g e o m e t r y   o p t i m i z a t i o n   f o r   2 D   d i r e c t i o n - of - a r r i v a l   e st i m a t i o n   f o r   r a d a r   i m a g i n g ,   i n   2 0 1 1   I n t e r n a t i o n a l   I T G   W o rks h o p   o n   S m a r t   An t e n n a s ,   F e b .   2 0 1 1 ,   p p .   1 8 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / w s a . 2 0 1 1 . 5 7 4 1 9 0 9 .   [ 1 3 ]   A .   G h a n i ,   F .   K e y v a n i ,   a n d   S .   H .   S e d i g h y ,   A n t e n n a   a r r a y   p l a c e m e n t   o n   l i mi t e d   b o u n d   f o r   i so t r o p i c   a n d   o p t i mal   d i r e c t i o n o f a r r i v a l   e st i ma t i o n ,   I ET  S i g n a l   Pr o c e s si n g ,   v o l .   1 2 ,   n o .   3 ,   p p .   2 7 7 2 8 3 ,   M a y   2 0 1 8 ,   d o i :   1 0 . 1 0 4 9 / i e t - s p r . 2 0 1 6 . 0 4 7 2 .   [ 1 4 ]   H .   G a z z a h   a n d   J . - P .   D e l m a s,  O p t i m i z a t i o n   o f   t h e   a n t e n n a   a r r a y   g e o m e t r y   b a se d   o n   a   B a y e si a n   D O A   e s t i m a t i o n   c r i t e r i o n ,   i n   2 0 1 1   I EEE  I n t e rn a t i o n a l   C o n f e re n c e   o n   Ac o u st i c s,  S p e e c h   a n d   S i g n a l   Pro c e ssi n g   ( I C A S S P) ,   M a y   2 0 1 1 ,   p p .   2 5 4 4 2 5 4 7 ,     d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / i c a ssp . 2 0 1 1 . 5 9 4 7 0 0 3 .   [ 1 5 ]   U .   B a y s a l   a n d   R .   L.   M o se s,  O n   t h e   g e o me t r y   o f   i s o t r o p i c   a r r a y s,   I E E T ra n s a c t i o n o n   S i g n a l   Pr o c e ss i n g ,   v o l .   5 1 ,   n o .   6 ,     p p .   1 4 6 9 1 4 7 8 ,   Ju n .   2 0 0 3 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / t s p . 2 0 0 3 . 8 1 1 2 2 7 .   [ 1 6 ]   R .   Z h a n g ,   J.   Z h o u ,   J .   La n ,   B .   Y a n g ,   a n d   Z.   Y u ,   A   h i g h - p r e c i si o n   h y b r i d   a n a l o g   a n d   d i g i t a l   b e a mf o r m i n g   t r a n s c e i v e r   s y st e m   f o r   5 G   mi l l i me t e r - w a v e   c o mm u n i c a t i o n ,   I EEE  Ac c e ss ,   v o l .   7 ,   p p .   8 3 0 1 2 8 3 0 2 3 ,   2 0 1 9 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / a c c e ss. 2 0 1 9 . 2 9 2 3 8 3 6 .   [ 1 7 ]   X .   H u a n g ,   Y .   J.   G u o ,   a n d   J.  D .   B u n t o n ,   A   h y b r i d   a d a p t i v e   a n t e n n a   a r r a y ,   I EEE   T ra n s a c t i o n s   o n   Wi r e l e ss  C o m m u n i c a t i o n s   v o l .   9 ,   n o .   5 ,   p p .   1 7 7 0 1 7 7 9 ,   M a y   2 0 1 0 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / t w c . 2 0 1 0 . 0 5 . 0 9 1 0 2 0 .   [ 1 8 ]   M .   A .   L .   S a r k e r ,   M .   F .   K a d e r ,   a n d   D .   S .   H a n ,   H y b r i d   b e a m s e l e c t i o n   sc h e me  i n   mi l l i met e r - w a v e   b e a ms p a c e   M I M O - N O M A   w i t h   l e n a n t e n n a   a r r a y ,   AEU   -   I n t e rn a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E l e c t r o n i c s   a n d   C o m m u n i c a t i o n s ,   v o l .   1 2 0 ,   p .   1 5 3 2 0 4 ,   Ju n .   2 0 2 0 ,   d o i :   1 0 . 1 0 1 6 / j . a e u e . 2 0 2 0 . 1 5 3 2 0 4 .   [ 1 9 ]   A .   Y .   J.  C h a n ,   M U S I C   a n d   ma x i mu l i k e l i h o o d   t e c h n i q u e o n   t w o - d i m e n si o n a l   D O A   e st i ma t i o n   w i t h   u n i f o r c i r c u l a r   a r r a y ,   I EE  Pr o c e e d i n g s   -   R a d a r ,   S o n a a n d   N a v i g a t i o n ,   v o l .   1 4 2 ,   n o .   3 ,   p .   1 0 5 ,   1 9 9 5 ,   d o i :   1 0 . 1 0 4 9 / i p - r sn : 1 9 9 5 1 7 5 6 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.