无人机阵列雷达的宽带 WILKINSON功率分配器

摘要

该项目的目的是设计宽带Wilkinson功率分配器作为用于无人机（UAV）应用的有源相控阵雷达系统的一部分。为了符合整个系统，功率分配器的尺寸，工作频率和带宽受到限制。所提出的功率分配器被集成到10GHz的相控阵列系统中，用于将来在发射和接收系统中的发展。 Wilkinson功率分配器旨在提供以10 GHz为中心的2 GHz带宽。为了提供带宽，设计并制造了一个4级威尔金森功率分配器。然后对其进行了彻底测试，以提供印刷电路板（PCB）特性，用于系统内的集成。发现功率分配器的端口隔离，相位误差和PCB功率损耗，以记录更好地集成到雷达系统中。实验结果与在设计阶段创建的模拟模型进行了较好的对比。最终的模块化设计的相控阵雷达由Vivaldi天线阵列，移相器和放大器模块以及控制模块组成。所提出的工作重点是Wilkinson功率分配器，旨在满足空间，工作频率和相位误差的严格设计要求。其结果是制造的威尔金森功率分配器符合相控阵列系统中的所有要求和模块功能。

第1章 引言

1.1 无人机系统进入国家空域系统的障碍

在美国国家空域系统（NAS）中使用的无人机系统（UAS）应用的商业化受到联邦航空管理局（FAA）强制执行的严格的安全规定的扼杀。这些规定是为空中和地面上的人们提供商业空域的安全。无人机（UAV）的主要关注之一是飞机与障碍物避免空中碰撞的程序之间的通信。除了通信和避免其他飞机之外，还需要一种的方法来提供不响应飞机，鸟类，滑翔机，电力线，建筑物，热气球以及任何其他类型的机载结构的避碰，这些东西可能没有能力与无人机正常通信。在交互和非交互和避免方法满足时，可以将其纳入无人机中，否则它们将不可用于NAS中的商业用途。

1.2 交互和避免碰撞使用自动相关监控广播

北达科他大学（UND）的研究已经制定了一种使用自动相关监控广播（ADS-B）进行感知和避撞的系统[1]。设计的系统使用不同飞机的ADS-B单元之间的通信为无人机提供适当的FAA回避机动的程序。虽然该系统为无人机提供了适当的FAA规则防撞技术[2]，但并没有考虑到在其上没有ADS-B单元的旧飞机或农作物除尘器。NAS还有其他障碍，可能对飞机有害，如鸟，电力线等。由于这些因素，有必要补充感知和避撞系统，如UND的无人机系统工程（UASE）具有非交互的ADS-B有效载荷并避免碰撞[3]。

1.3 相控阵雷达UAS用于非合作意识和避免

非交互和避免碰撞的潜在解决方案是UAS平台的小规模相控阵雷达。使用阵列中的多个天线，可以使用将改变天线阵列辐射方向的移相器来移位信号。可以通过移相器来控制阵列辐射的变化，以产生扫频。该相控阵天线可以集成到雷达中[4]。与机械驱动的雷达设计相反，这些相控阵雷达具有更低的成本和更小的尺寸。另外，机械雷达系统的劣化由于运动部件的减少而降低。相控阵雷达可以提供非交互作用，并避免碰撞，包括更高效率，更低成本和更小尺寸的无人机的解决方案。

1.4 Laserlith公司和私人公司的参与

Laserlith公司在陆军研究实验室和空军研究实验室的合作下制定了一个制造和制造电子导向天线阵列（ESA）的计划。本研究工作的威尔金森功率分配器旨在与Laserlith公司的移相器集成。这些移相器利用了由Laserlith设计的新型MEMS技术，可以提供更高的效率和更低的功耗。 Laserlith的基于MEMS的移相器将提供更快的相位变化，从而提高雷达的扫频速度。目前，这些移相器尚未提供用于集成，本研究的系统使用商业现货硬件。最终目标是让Laserlith公司的移相器替代本研究工作的全相控阵雷达中的现成安装式移相器。

1.5 前期工作

此项目之前的工作已经由其他人完成，创建了一个带有印刷偶极天线和商业现货产品的2.4 GHz跟踪阵列。对飞行无人机有效载荷下的视频信号进行跟踪研究为我们的系统设计提供了一个基本概念[5]。使用这个概念，已经开发出了C波段5.8GHz跟踪相控阵。该系统提供了相位阵列检测的概念证明，并避免了碰撞。

系统证明当集成到小型无人机系统（UAS）中的相控阵雷达系统，可以提供多种商业和军事应用。另一个提出的应用是追踪位于地平线上的目标。将为低空袭击提供一种自卫防御方法[6]。为了帮助雷达在海军舰艇上的扫描视野，低功率雷达系统可以放置在一个正在运行的无人机上。该飞机可以找到不在船上安装的雷达范围内的低空目标。该跟踪功能可以应用于商业部门内的多个其他应用。除了以前的海军研究之外，在联合国发展援助委员会在交互和避撞技术领域的先前研究也促使了非交互的研究和设计，避免了碰撞[1]。线性阵列被设计，制造并集成到具有天线元件的UAV机翼结构中[7]。这项工作导致了创建一个相控阵列感应的初始概念，并避免了机翼安装UND UASE超级起重机上的系统

本论文的威尔金森功率分配器设计旨在最终集成到相控阵感知中和避免碰撞系统。与UND的UASE计划协调一致，设计了一个运行在10 GHz的小型有效负载系统来执行跟踪和雷达应用。该系统由射频（RF）源，功率分配器，相移模块，放大器和天线元件组成[8]。图3显示了10 GHz相控阵列系统的设计。该系统由四个独立的模块，功率分配板，放大和移相板，控制板和天线阵列组成。本论文的重点是设计一个10 GHz的Wilkinson功率分配器板，其中2 GHz带宽为10 GHz。设计和制造具有集成到系统中的宽带的功率分配器板。该板有多个限制，用于集成到系统中。电路板的尺寸以及每个输出端口之间的距离，工作频率带宽以及具有预期相位误差的功率损耗对于功率分配器模块的设计至关重要。

D. Hajicek已经开发了一个用放大器模块，创建一个相控阵控制模块和移相器[9]。通过具有固定数量的相移状态的数字相移模块，创建了简单的控制系统来控制阵列转向性能。通过使用高分辨率移相器，减少固定状态的量化。因此，提供了具有阵列转向的更精确的控制，降低了相位控制的退化[10]。如图3所示，转向由相移模块实现。这是相位阵列系统的基本原理。 10GHz宽带Vivaldi天线元件的设计细节由J.Alme [11]提供。

1.6 文献查询

对现有文献进行了回顾，以更好地理解研究，并确保本论文与Wilkinson功率分配器领域的研究相关。论文涵盖了Wilkinson功率分配器的功效和设计。许多读物都是威尔金森设计和潜在的设计修改。威尔金森首先创建了一个功率分配器的设计，这个功率分配器是在他的工作之后命名的[12]。他的发现为N路功率分配器提供了基本设计。该设计由S. Cohn修改，提供了一个多级N路功率分配器的基本设计[13]。他首先提出使用切比雪夫多项式粗略地确定隔离电阻的大小。最近的研究由J. Cooper进行，他建模了多个Wilkinson功率分配器来创建一个复杂的反射系数检测器[14]。通过使用五个Wilkinson功率分配器，他能够以更小的规模实现检测器。 D.Harty还提供了Wilkinson功率分配器设计中的最新研究。他的工作提供了一种宽带Wilkinson功率分配器的新颖设计，用于胸腔偶极阵列[15]。第2章进一步探讨了其他人在设计功率分配器，特别是威尔金森功率分配器及其设计方法的工作。 Wilkinson功率分配器为具有多种设计的系统提供了大的带宽。

1.7 执行工作

本论文执行和讨论的任务是对X频段频率的宽带Wilkinson功率分配器的设计和测试。该模块集成到相控阵系统中，该系统安装在由UND的UASE实验室运行的小型无人机上。第2章提供了功率分配器的演变和设计Wilkinson功率分配器的理论。第3章介绍了无人机应用宽带威尔金森功率分配器的设计方法。第4章介绍了仿真和测试的结果。第5章介绍了将简要总结研究结论的结论，并介绍了未来的工作建议该项目。

第2章威尔逊分频器原理

2.1 介绍

威尔金森功率分配器是功率分配器的一个变体，它使用微带设计，并允许信号N路的低损耗分配。本部分将功率分配器的演变与Wilkinson设计进行了比较，并将讨论功率分配器设计背后的理论。

2.2 定义

在进一步研究功率分配器和Wilkinson功率分配器之前，应该表达几种定义以避免混淆。散射参数（也称为S参数）描述了网络的行为，例如分配器和耦合器。在M端口网络的矩阵中提供S参数。单个S参数的一般描述在公式2.1中给出，其中i是行号，j是列数。

在整个理论中，反射系数将用于功率分配器的评估。反射系数通常由公式2.2（2.2）给出，其中负载阻抗是线路特性阻抗。反射系数用于提供信号从负载反向向源的预期反射。当S参数中的i = j时，所得参数提供网络的反射系数。

四分之一波阻抗变压器用于Wilkinson功率分配器的设计，是传输线的长度，正好是四分之一波长。在功率分配器的设计中，使用这些类型的阻抗变换器。对于变换器，阻抗由公式2.3给出。

变换器阻抗通常用作特性阻抗的输入阻抗，也就是负载阻抗。对于平面设计，微带线可用于形成变换器。设计微带线时，重要的是减少尖角产生的损耗。为了实现这一点，角度可以倾斜或倒角。图4提供了如何计算角度所需的倒角的视觉表示[16]。

使用图4中的变量，公式2.4 - 2.5将提供成功倒角并减少损耗所需的值。

其中W是每条微带线进入直角的宽度。图4显示哪个宽度归因于哪个传输线。 2.3 功率分配器历史

在20世纪40年代，麻省理工学院（MIT）辐射实验室首次发现功率分配器。在几个实验中，波导耦合器和功率分配器被表征和发明[17]。本文研究的T-结功率分配器为3端口网络提供了功率分配。这种3端口设计可以重复多次，以提供N路分割。 T形功率分配器是一个简单的三端口网络，通常具有两个输出和一个输入，但反向也可应用于功率组合。图5提供了功率分配和组合的视觉表示[18]。

这个3端口网络的散射矩阵有九个独立的元素（方程式2.7）

理想情况下，功率分配器将在所有端口都是无损，互补和匹配的。为了创建无异构材料的无损三端口，散射矩阵不仅必须是单一的和互易的，而且也是对称的，这将提供以下矩阵（方程式2.8）[19]。

分析这些条件，方程之间存在直接的冲突。为了满足方程2.14-2.16，必须至少有两个与等式2.11-2.13相互冲突的零值参数。因此，显而易见的是，不可能制造出在所有端口匹配的无损和互易的3端口网络。然而，如果这些条件之一被忽略，则可以满足其他条件[18]。由于这种妥协，有三种常用的无源三端口功率分配器：T型，电阻式和Wilkinson分频器。每个设计都带来了具体的妥协，从而为每个设计提供了明显的优点和缺点。 T形结是一个多功能但简单的三端口功率分配器。牺牲匹配，这个网络提供了一个无损系统，除了传输线损耗。图6提供了T形结的传输线模型。

在边界处存储的能量和连接处的高阶模式的不连续点，产生存储的能量或集总电容B，其是导纳的虚部。电阻功率分配器提供了匹配所有端口同时牺牲隔离并使用有损集成元件电阻的能力。图7显示了使用集总元件电阻的电阻功率分配器。

分配器的输入功率在公式2.17中给出。此外，输出功率相等，并在等式2.18中给出。

该等式表明两个输出功率是输入功率的四分之一，并将输入功率消耗了一半。这是通过网络的大量功率损耗，并且是电阻功率分配器的很大缺点[18]。最终的无源三端口功率分配器是Wilkinson功率分配器。威尔金森功率分配器于1960年由Ernest Wilkinson发现，被视为使用电阻匹配端口的无损网络[12]。它使用四分之一波长变压器将输出端口与输入端口匹配。图8显示了微带形式的Wilkinson功率分配器及其传输线模型，其中是特性阻抗。

当网络在所有端口匹配时，Wilkinson分频器具有三种网络特性：低损耗，互惠和匹配。实现所有这三个特性是不可能的，但是Wilkinson功率分配器使用无损四分之一波阻抗变压器，每个分频具有固有的-3dB损耗，这是由于将功率除以2倍。威尔金森功率分配器在输出端口为匹配和平衡，但当有反射的波浪时，威尔金森将有有损的特征。因此，Wilkinson功率分配器为无源功率分配器提供了最佳的结果。

2.4 设计程序

Wilkinson功率分配器的无损四分之一波阻抗变换器的特征阻抗为radic;2Z₀，以匹配端口和集总电阻，并协助隔离。这些属性允许两个输出端口之间的高隔离[12]。为了分析Wilkinson功率分配器的S参数矩阵，必须执行偶数模式分析[18]。使用叠加，网络可以分为两种对称模式，偶模和奇模。网络的传输线路模型被归一化为特性阻抗Z₀。电路如图9所示。

为了提供对称性，在归一化后其值为1的单个输入电阻器被分成具有值2的两个并联电阻器。此外，四分之一波长变压器归一化阻抗为2，归一化电阻器值为r，使用叠加，采用这两个值可以推导出S参数。由于端口1的短路，电流在并联电阻之间不流动。然后，电路可以分为两种独立的模式，即是奇模和偶模[18]。

通过偶数模式分析得到的结果可以推导出以下S参数。

这些参数说明了威尔金森功率分配器的性质。当网络由端口1驱动，端口匹配时，电阻器不会耗散任何电源，因此网络是无损网络。电阻只能消除端口2和3的反射功率[17]。得到的S参数矩阵。

2.5 耦合和隔离

Wilkinson功率分配器具有多个测量参数值，有助于量化网络的效率。方程式2.35-2.37给出输入端口1和输出端口2上的回波损耗，端口1和2之间的耦合以及端口2和3之间的隔离[ 15] [20]。

重要的是要注意，回波损耗是反射系数的绝对分贝测量。这些测量通常通过矢量网络分析仪上

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