Учебная установка для изучения линейных антенных решеток

 

Изобретение может быть использовано в учебном процессе при изучении свойств линейных антенных решеток. Изобретение позволяет оперативно моделировать антенные решетки, демонстрировать влияние числа излучателей, расстояния между ними, формы диаграммы направленности, амплитуд и фаз возбуждения отдельных излучателей на диаграмму направленности линейной антенной решетки. Учебный прибор состоит из излучателя в виде последовательно размещенных на основании высокочастотного генератора, прямоугольного рупора, электромагнитный линзы, устройства смены масок, сменных масок, поворотной стойки 7 и анализатора, состоящего из приемного рупора, детектора и индикатора. Каждая сменная маска представляет собой металлическую пластину с прямоугольными отверстиями. Число отверстий, расстояние между ними, размеры сторон отверстий определяют число излучателей, расстояние между ними, амплитуды возбуждения и диаграмму направленности отдельных излучателей моделируемой антенной решетки. Установка между отверстиями в масках металлических перегородок с диэлектрическими вкладышами между ними определяет фазы возбуждения излучателей моделируемой антенной решетки. Установка излучателя на поворотной стойке и использование устройства смены масок позволяют моделировать линейные антенные решетки и изучать их свойства. 3 ил.

Изобретение относится к приборам для обучения и может быть использовано в учебном процессе для изучения свойств линейных антенных решеток.

Известны устройства для изучения волноводных процессов в электромагнитном поле. Таковы учебные приборы по электромагнетизму (авт. св. N 739630, БИ 21, 1980, N 1008769, БИ 12, 1983, N 1008771, БИ 12, 1983 и другие). Лабораторные установки, решающие задачи демонстрации в электродинамике, описаны в руководствах: Шахмаев Н.М. и др. Демонстрационные опыты по электродинамике. М. Просвещение, 1973, а также Лекционные демонстрации по физике./ Под ред. В.И. Иверовича. М. Наука, 1972, Юдкевич В.В. и др. Технические средства обучения и типовое учебно-лабораторное оборудование. М. Высшая школа, 1974.

Общий недостаток указанных устройств при использовании их для изучения антенн состоит в невозможности моделирования ряда свойств и изучения зависимостей теории антенн, например, влияния числа излучателей, расстояния между ними, формы диаграммы направленности, амплитуд и фаз возбуждения отдельных излучателей на диаграмму направленности линейной антенной решетки.

Известны устройства для моделирования антенн в оптическом диапазоне волн (Фрадин А.З. Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. М. Связь, 1972, с. 282).

Указанные устройства обладают рядом недостатков при использовании их в качестве учебных: во-первых, в них осуществляется моделирование свойств антенн в оптическом диапазоне, вследствие чего теряется наглядность, т.к. отсутствует демонстрация эффектов в действительном масштабе, а именно, в радиодиапазоне; во-вторых, в них осуществляется регистрация на фотоматериалы, что приводит к резкому снижению оперативности демонстрации и снижает ценность прибора как учебного; в-третьих, осуществление моделирования в оптическом диапазоне сложно и требует прецизионной точности изготовления элементов-транспарантов, что также является препятствием для применения этого прибора как учебного.

Наиболее близким по технической сущности является учебный прибор по авт. св. N 1008769, кл. G 09 B 23/22, БИ 12, 1983, состоящий из излучателя в виде последовательно размещенных на основании сверхвысокочастотного генератора, прямоугольного волновода, пирамидального рупора, электромагнитной линзы, оптического элемента (маски) в виде пакета скрученных прямоугольных волноводов и анализатора в виде пирамидального рупора, прямоугольного волновода, детектора и индикатора.

Указанный учебный прибор по оптике предназначен для моделирования в свервысокочастотном диапазоне электромагнитных волн действия оптически активного вещества на поляризацию проходящего через него светового излучения. Это достигается применением оптического элемента в виде пакета скрученных волноводов, осуществляющего поворот плоскости поляризации волны, падающей из рупора излучателя.

Указанный учебный прибор может быть использован как демонстрационный и для изучения свойств антенн. Однако ряд его недостатков существенно ограничивает эту возможность; прибор не позволяет моделировать и изучать влияние числа излучателей и расстояния между ними на диаграмму направленности линейной антенной решетки; прибор не позволяет моделировать и изучать влияние формы диаграммы направленности отдельного излучателя на диаграмму направленности линейной антенной решетки; прибор не позволяет моделировать и изучать влияние амплитуд и фаз возбуждения излучателей на диаграмму направленности линейной антенной решетки.

Цель изобретения обеспечение наглядности и оперативности моделирования линейных антенных решеток и демонстрации влияния числа излучателей, расстояния между ними, формы диаграммы направленности отдельных излучателей, амплитуд и фаз их возбуждения на диаграмму направленности линейной антенной решетки.

Задача решена тем, что в учебной установке для демонстрации свойств линейных антенн, содержащей излучатель в виде последовательно размещенных на основании сверхвысокочастотного генератора, прямоугольного волновода, пирамидального рупора, электромагнитной линзы, маски, установленной в раскрыве линзы, и анализатор в виде пирамидального рупора, прямоугольного волновода, детектора и индикатора, излучатель установлен на поворотной стойке, снабженной отсчетной шкалой угла поворота, на внешнем фланце пирамидального рупора излучателя установлено устройство смены масок, имеющее N прямоугольных отверстий, в которые установлены N масок, каждая из которых выполнена в виде металлической пластины с прямоугольными отверстиями, число отверстий М в маске и расстояние между ними соответствует числу излучателей и расстоянию между ними в моделируемой n-ой маской антенной решетке. Размер прямоугольных отверстий по оси их расположения определяется выражением где ширина диаграммы направленности m-го излучателя на уровне -3дб. Размер отверстий по направлению, перпендикулярному оси их расположения, определяется выражением 2Δy_m= 4barcsin(Im)/π, где Im амплитуда возбуждения m-го излучателя, 2b размер раскрыва рупора излучателя в Н-плоскости. Между прямоугольными отверстиями на маске перпендикулярно ее плоскости и параллельно Н-плоскости рупора пирамидального излучателя установлены металлические перегородки, пространства между которыми заполнены диэлектрическими вкладышами на высоте фаза возбуждения m-го излучателя моделируемой антенной решетки.

Часть отличительных признаков известны в других совокупностях признаков. Так известно применение поворотной стойки для измерения диаграммы направленности антенн. Известно и использование сменных масок при моделировании антенн в оптическом диапазоне (Фрадин А.З. Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. М. Связь, 1972, с. 282). Указанные маски выполнены в виде стеклянных оптически полупрозрачных пластин или пластин с отверстиями. Регистрацию результатов моделирования устройство осуществляет на фотопластинку. По сравнению с заявляемым прибором здесь осуществляется не демонстрация свойств антенн, а их моделирование, основанное на математической аналогии процессов излучения антенн и свойств Фурье-преобразования в оптических системах.

Моделирование в оптическом диапазоне обладает рядом особенностей: моделирвоание возможно для апертур, размер которых в длинах волн во много раз превосходит размер реальных антенн радиодиапазона; при изготовлении масок необходимо выполнение с микронной точностью толщины стеклянных подложек; при изготовлении масок сказывается влияние нелинейности характеристической кривой фотоматериала. Эти особенности обусловили, что метод оптического моделирования, имея ограниченные возможности, не нашел применения в инженерной практике.

На фиг.1 приведена функциональная схема установки: на фиг.2 пример выполнения n-ой сменной маски, моделирующей синфазную антенную решетку; на фиг.3 пример выполнения сменной маски с диэлектрическими вкладышами, моделирующей влияние фаз возбуждения отдельных излучателей модулируемой антенной решетки.

Учебный прибор по фиг. 1 содержит излучатель, состоящий из высокочастотного генератора 1, прямоугольного волновода 2, рупора 3, электромагнитной линзы 4, устройства смены масок 5, сменных масок 6, поворотной стойки 7, и анализатор, состоящий из приемного рупора 8, детектора 9 и индикатора 10. Маска 6 выполнена в виде металлической пластины 11 с системой металлических перегородок 12 и диэлектрических вкладышей 13 между ними (фиг.3).

Работа прибора осуществляется следующим образом.

Высокочастотный генератор 1 возбуждает в прямоугольном волноводе 2 распространяющуюся электромагнитную волну. Рупор 3 и электромагнитная линза 4 формируют на теневой поверхности линзы 4 синфазное электромагнитное поле с определенной интенсивностью E(x, y), имеющее в случае рупора прямоугольного сечения равномерное распределение амплитуд в плоскости E и косинусное распределение в плоскости Н. Вид этого распределения неизменен. Для демонстрации различных свойств антенны необходимо обеспечить возможность требуемых изменений распределения поля в апертуре, соответствующих демонстрируемому эффекту. Это обеспечивают сменные маски 6, установленные перед раскрывом рупора в устройстве смены масок 5.

При помощи масок в виде металлической пластины с несколькими отверстиями моделируется излучение линейной антенной решетки. В этом случае сменные маски представляют собой металлические пластины 11, в каждой из которых имеется несколько отверстий прямоугольной формы, расположенные по оси x (фиг.2). Число отверстий Mn и расстояние между ними соответствует числу излучаталей и расстоянию между ними в моделируемой антенной решетке. Равномерное распределение поля рупора излучателя 3 в плоскости E после прохождения через такую маску переходит в поле отдельных излучаталей, расположенных в соответствующих местах оси x раскрыва маски. Выбирая размеры каждого отверстия в маске, можно управлять формой диаграммы направленности и амплитудой возбуждения излучателей моделируемой антенной решетки.

Размер отверстия 2Δx_m по оси расположения отверстий определяет диаграмму направленности отдельного m-го излучателя и соответствует выражению: 2Δx_m= (c(2ΔΘ_m)·λ)/(2ΔΘ_m), (1) где c(2ΔΘ_m) = 51-7,8exp(0,038(2ΔΘ_m-89)); 2ΔΘ_m ширина диаграммы направленности m-го излучателя.

Размер отверстия 2Δy_m по направлению, перпендикулярному оси их расположения, определяет амплитуду возбуждения m-го излучателя и выбирается из соотношения: 2Δy_m= 4barcsin(Im)/π (2) где 2b размер раскрыва рупора излучателя 3 в Н-плоскости, Im амплитуда возбуждения m-го излучателя.

Выражение (1) получено следующим образом. Диаграмма направленности m-го излучателя f_m(Θ) в эквивалентной антенной решетке определяется шириной отверстия 2Δx_m:

Ширина диаграммы направленности на уровне -3дб определяется соотношением . Численный анализ соотношений для диаграммы направленности в пределах 0,176λ≅2Δx≅4,50λ при соответствующем изменении ширины диаграммы направленности в пределах: 10,25°≅2ΔΘ<123,75° позволяет получить соотношение для ширины отверстия 2Δx_m, обеспечивающего необходимую ширину 2ΔΘ_m диаграммы m-го излучателя:
2Δx_m= c(2ΔΘ_m)·λ/(2ΔΘ_m),
где c(2ΔΘ_m) = 51-7,8exp(0,038(2ΔΘ_m-89)),
Для малых Θ_m выражение (1) можно заменить равенством:

Выражение (2) получено из следующих соображений. На маску со стороны рупора 3 падает плоская волна с распределением поля E(x,y)=E_ocos(πy/2b). Амплитуда эквивалентного тока m-го излучателя в линейной антенной решетке Im равна:

Распределение амплитуд в решетке полагаем нормированным:(Im)_max=1, а соответствующее этому току отверстие имеет минимальный размер Δy_max= b. Тогда E_o= π/4b, а необходимый размер отверстия:
2Δy_m/= 4b·arcsin(Im)/π.
Демонстрация влияния фаз возбуждения излучателей на диаграмме направленности антенной решетки осуществляется при помощи сменной маски в виде металлической пластины 11, между отверстиями которой установлены перегородки 12 и диэлектрические вкладыши 13 (фиг.3).

В этом случае поле рупора 3, попадая в область между металлическими перегородками 12, заполненную у m-го отверстия на высоту Im диэлектриком 13, получает дополнительный фазовый сдвиг:

что позволяет изменять фазу возбуждения излучателя в моделируемой антенной решетке.

Высота диэлектрических вкладышей определяется выражением:

Устанавливая в отверстие устройства смены масок 5 маски 6 с различными размерами и числом отверстий и различными размерами диэлектрических вкладышей, можно осуществить моделирование излучения антенной решетки с различными амплитудными и фазовыми распределениями, числом излучателей и диаграммой направленности элемента решетки и тем самым осуществить демонстрацию различных свойств линейных антенных решеток. Измерение диаграмм направленности для смоделированной антенной решетки осуществляется определением показаний индикатора 10 при различных углах поворота излучателя на поворотной стойке 7.

Учебная установка может быть выполнена следующим образом. В качестве генератора 1 используется серийный генератор стандартных сигналов сантиметрового или миллиметрового диапазона волн или малогабаритный генератор в виде волноводной секции с твердотельным активным элементом в виде, например, диода Ганна. При помощи прямоугольного волновода со стандартным фланцем генератор соединен с пирамидальным рупором, размер которого определяется величиной моделируемых антенн и может составлять: размер апертуры рупора (10...15)λX(10...15)λ, где...λ длина волны, длина рупора (20...30)λ. В раскрыве рупора установлена диэлектрическая осесимметричная линза, изготовленная, например, из полистирола. Линза установлена выпуклой стороной внутрь рупора. На внешнем фланце рупора излучателя установлено устройство смены масок в виде барабана с N прямоугольными отверстиями, в которые установлены маски.

Маски представляют собой металлические пластины или пластины из фольгированного стеклотекстолита. Все пластины имеют одинаковые габаритные и установочные размеры. Размеры пластин равны выходному отверстию рупора. На внутренней поверхности пластины при необходимости устанавливаются металлические перегородки и припаиваются. Между ними вклеиваются диэлектрические элементы 13. В пластинах проделаны отверстия, а в случае использования фольгированного диэлектрика удаляется металлизация на участках, соответствующих отверстиям. Для уменьшения влияния отражений на металлизированные участки с внутренней стороны могут быть установлены пластины из радиопоглощающего материала. Излучатель со сменными масками установлен на поворотном основании для измерения угловых зависимостей излученного поля, т.е. диаграмм направленности. Анализатор выполнен в виде рупора, в качестве которого может использоваться, например, измерительный рупор из комплекта измерительных антенн, амплитудного детектора и индикатора в виде измерительного усилителя, например, серийного измерительного усилителя с цифровым выходом типа В8-7. Демонстрация свойств антенн осуществляется путем измерения ДН с различными масками.

Применение учебного прибора возможно как в целях лекционного демонстрационного прибора, так и в лабораторном практикуме по курсу "Антенны и устройства СВЧ". Использование прибора в учебной лаборатории позволит уменьшить состав лабораторных установок за счет возможности проведения нескольких лабораторных работ на данном приборе, осуществить унификацию лабораторного оборудования и облегчить тем самым организацию лабораторного практикума фронтальным методом.

Формула изобретения

Учебная установка для изучения линейных антенных решеток, содержащая излучатель в виде последовательно размещенных на основании высокочастотного генератора, прямоугольного волновода, пирамидального рупора, электромагнитной линзы и маски, установленной в раскрыве электромагнитной линзы, и анализатора в виде пирамидального рупора, прямоугольного волновода, детектора и индикатора, отличающаяся тем, что излучатель установлен на поворотной стойке, снабженной отчетной шкалой угла его поворота, пирамидальный рупор излучателя снабжен внешним фланцем, введено устройство для смены масок, которое установлено на внешнем фланце и имеет N отверстий, в которые установлены N масок, каждая из которых представляет собой М прямоугольных отверстий, выполненных в металлической пластине, металлические перегородки, установленные между этими отверстиями, и диэлектрические вкладыши, которыми заполнены промежутки между металлическими перегородками, причем эти перегородки ориентированы перпендикулярно металлической пластине и параллельно Н плоскости пирамидального рупора излучателя, при этом число прямоугольных отверстий М в n-й маске и расстояние между ними соответствуют числу излучателей и расстоянию между ними в моделируемой этой маской линейной антенной решетке, размер прямоугольных отверстий по оси их расположения определен соотношением

а по направлению, перпендикулярному оси их расположения,
2Δy_mn= 4b (arcsin J_mn)/π,
высота диэлектрических вкладышей определена из выражения

где λ - длина электромагнитной волны;
ϕ_mn - фаза возбуждения m-го излучателя моделируемой n-й маской линейной антенной решетки;
ε -- диэлектрическая проницаемость материала диэлектрических вкладышей;

2ΔΘ_mn - ширина диаграммы направленности m-го излучателя, моделируемой n-й маской линейной антенной решетки, на уровне 3 дБ;
2b размер раскрыва пирамидального рупора излучателя в Н плоскости;
J_mn амплитуда возбуждения m-го излучателя моделируемой n-й маской линейной антенной решетки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3