Стенд для моделирования зон френеля при отражении радиоволн

 

Использование: технические средства обучения при изучении процессов отражения радиоволн, при исследовании систем радиолокационного зондирования слоистых сред. Сущность изобретения заключается в получении автоматизированной оценки разностной нормированной величины напряженности суммарного поля двух волн в зависимости от высоты поднятия точки излучения второй волны и ее относительной длины. Стед для моделирования зон Френеля при отражении радиоволн содержит первый СВЧ-генератор, первую передающую антенну, M металлических пластин (M -целое число) для отражения подающих радиоволн, приемную антенну, установленную на устройстве перемещения, волноводно детекторную секцию, индикатор, второй СВЧ-генератор, вторую передающую антенну, снабженную узлом перемещения, три блока вычитания, четыре потенциометрических датчика, вольтметр, три блока давления, блок эталонного напряжения. 6 ил.

Изобретение относится к техническим средствам обучения, может быть использовано как наглядное пособие при изучении процессов отражения радиоволн, а также при исследовании блоков и узлов реальных систем радиолокационного зондирования слоистых сред.

На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого стенда для моделирования зон Френеля при отражении радиоволн; на фиг.2 представлено в аксонометрии формирование зон Френеля на отражающей поверхности; на фиг.3-5 показаны смещения центров эллипсов, ограничивающих зоны Френеля, при различных высотах поднятия передающей и приемной антенн; на фиг.6 в аксонометрии изображена часть поверхности, образуемая разностной величиной суммарного поля двух волн.

Стенд для моделирования зон Френеля при отражении радиоволн содержит первый СВЧ-генератор 1, первую передающую антенну 2, М металлических пластин 3 для отражения подающих радиоволн (М целое), приемную антенну 4, волноводно-детекторную секцию 5, устройство 6 перемещения приемной антенны, индикатор 7, второй СВЧ-генератор 8, вторую передающую антенну 9, узел 10 перемещения второй передающей антенны, три блока 11-1,11-3 вычитания, четыре потенциометрических датчика 12-1,12-4, вольтметр 13, три блока 14-1,14-3 деления, блок 15 эталонного напряжения.

При этом выход волноводно-детекторной секции 5 соединен с входом вычитания первого блока 11-1 вычитания, вычитающий вход которого соединен с подвижным контактом первого потенциометрического датчика 12-1, выход первого блока 11-1 вычитания соединен с объединенными входом вольтметра 13 и входом делимого первого блока 14-1 деления.

Вход делителя первого блока 14-1 деления соединен с подвижным контактом потенциометрического датчика 12-1. Вычитаемый вход второго блока 11-2 вычитания соединен с подвижным контактом второго потенциометрического датчика 12-2, подвижный контакт которого механически связан с узлом 10 перемещения второй передающей антенны 9. Вычитающий вход второго блока 11-2 вычитания объединен с входом делителя второго блока 14-2 деления и соединен с выходом блока 15 эталонного напряжения.

Выход второго блока 11-2 вычитания соединен с входом делимого второго блока 14-2 деления, выход которого является выходом относительной величины поднятия передающей антенны 9.

Вычитаемый вход третьего блока 11-3 вычитания соединен с подвижным контактом третьего потенциометрического датчика 12-3, подвижный контакт которого механически связан с управляющим узлом второго СВЧ-генератора 8.

Вычитающий вход третьего блока 11-3 вычитания объединен с входом делителя третьего блока 14-3 деления и соединен с подвижным контактом четвертого потенциометрического датчика 12-4, подвижный контакт которого механически связан с управляющим узлом первого СВЧ-генератора 1. Выход третьего блока 11-3 вычитания соединен с входом делимого третьего блока 14-3 деления.

Выход первого блока 14-1 деления является выходом разностной нормированной величины напряженности суммарного поля двух волн.

Стенд для моделирования зон Френеля при отражении радиоволн работает следующим образом.

Вначале оператор должен измерить полуоси эллипсов, ограничивающих металлические пластины 3, которые моделируют зоны Френеля. Наименьшая по площади пластина моделирует первую зону Френеля, следующая по размерам пластина моделирует первую и вторую зоны Френеля и т.д. Самая большая пластина моделирует М зон Френеля.

На фиг.2 в аксонометрии изображено формирование зон Френеля на отражающей поверхности от точки излучения Р и точки приема П в соответствии с правилом Френеля ρ_m+r_m= ρ_o+r_o+m (1) где ρ_m и r_m расстояния от точки N_m на m-й границе зоны Френеля до точек излучения Р и приема П соответственно; ρ_o и r_o расстояния точки отражения С электромагнитных волн от отражающей поверхности до точек Р и П соответственно; λ длина электромагнитной волны; m номер границы зоны Френеля.

Положение и размеры зон Френеля определяются из выражений X_om=X1 + a_m (2) b_m где в соответствии с фиг.2 принято, что координатная плоскость ХОУ совмещена с плоскостью Земли; ось OZ проходит через точку излучения Р; точка наблюдения П лежит в плоскости XOZ; h и Z высоты поднятия точек Р и П над плоскостью отражения; R расстояние между проекциями точек Р и П на плоскость ХОУ;
Х_о расстояние от проекции точки Р на плоскость ХОУ до точки отражения С;
Х_om расстояние до центра m-й зоны Френеля;
а_m и b_m большая и малая полости эллипсов, ограничивающих зоны Френеля на отражающей поверхности;
dρ_o+r_o
Из выражений (2) следует, что при Z > h центры эллипсов, ограничивающих зоны Френеля, смещены относительно точки отражения С в сторону точки наблюдения П, как это показано на фиг.3.

При Z < h центры эллипсов смещены относительно точки отражения C в сторону излучателя P ( фиг. 4).

При Z h центры всех эллипсов лежат посередине трассы распространения радиоволн, причем Х_оX_om= (фиг. 5).

При h Z из выражений (2) получаем для большой a_m и малой b_mполуосей эллипсов, ограничивающих зоны Френеля, следующие выражения:
a_m (3)
b_m= a_m sin Θ, где Θ угол скольжения, определяемый в случае h Z и Х_о X_m из выражения Θ=arctg (4)
Таким образом, первая зона Френеля представляет собой часть отражающей плоской поверхности, ограниченной эллипсом, размеры которого определяются в общем случае выражениями (2) при m 1.

Вторая зона Френеля это часть отражающей поверхности, ограниченной эллипсами с m 1 и m 2 и т.д.

Величина Е напряженности электромагнитного поля, создаваемого в точке наблюдения П отраженной волной, зависит от числа зон Френеля, одновременно участвующих в создании отраженной волны. С изменением числа зон Френеля величина Е меняется не монотонно, а осциллирует, принимая максимальные и минимальные значения.

Указанное объясняется явлением интерференции электромагнитных волн, отраженных от различных зон Френеля и создающих результирующее поле с напряженностью Е в точке наблюдения П.

Все вышесказанное справедливо, когда существует один источник электромагнитного поля. При наличии двух источников излучения электромагнитных волн картина создаваемого результирующего поля существенно усложняется и может быть описана в первом приближении разностной величиной напряженности результирующего поля двух волн в зависимости от относительной высоты поднятия точки излучения второй волны и ее относительной длины.

Рассмотрим вначале случай, когда первая передающая антенна 2 и приемная антенна 4 находятся на одинаковой высоте поднятия, т.е. h Z. При этом вторая передающая антенна 9 может находиться на высоте h₁, большей или меньшей высоты h.

Оператор по формуле (4) рассчитывает для заданных значений h и R величину угла Θ а затем по формулам (3) для заданных значений m, a_m, b_mопределяет рабочую длину волны первого ВЧ-генератора 1. Далее, полагая электромагнитные параметры окружающего воздуха равными ε 1,00059 и μ1,00000038, вычисляется рабочая частота первого СВЧ-генератора 3 по формуле
f (5) где С 3 ˙ 10⁸, м/с скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.

Оператор включает первый СВЧ-генератор 1 и настраивает его на рабочую частоту f₁, значение которой вычислено по формуле (5). При этом орган настройки частоты СВЧ-генератора 1 механически связан с подвижным контактом четвертого потенциометра 12-4.

Постоянное напряжение с выхода подвижного контакта четвертого потенциометра 12-4, которое отображает в заданном масштабе рабочую частоту f₁ первого СВЧ-генератора 1, поступает на вычитающий вход третьего блока 11-3 вычитания.

На вычитаемый вход блока 11-3 вычитания поступает напряжение с выхода третьего потенциометра 12-3, которое отображает в заданном масштабе значение рабочей частоты второго СВЧ-генератора 8, поступающей на вторую передающую антенну 9.

Значения частот f₂ второго СВЧ-генератора 8 задаются относительно рабочей частоты первого СВЧ-генератора 1 дискретно, например, в виде ряда f₁ ± 0,001 f₁, f₁ ± 0,002 f₁ и т.д.

Таким образом, на выходе третьего блока 11-3 вычитания получаем напряжение, отображающее в заданном масштабе разность рабочих частот первого 1 и второго 8 СВЧ-генераторов:
ΔU_11-3 U_f1 U_f2 K(f₁ f₂), (6) где К масштабный коэффициент.

Напряжение ΔU_11-3 поступает на вход делимого третьего блока 14-3 деления, на вход делителя которого поступает напряжение с подвижного контакта четвертого потенциометра 12-4. Значит, на выходе третьего блока 14-3 деления появится напряжение, пропорциональное относительной частоте (или длине волны) второго СВЧ-генератора 8
u_14-3=K (7)
Напряжение U_14-3 поступает на выход стенда.

Но, прежде чем включить второй СВЧ-генератор 8, оператор должен произвести следующие операции (при включенном первом СВЧ-генераторе). Вначале уравнять путем перемещения подвижного контакта первого потенциометра 12-1 напряжение с его выхода с напряжением на выходе волноводной детекторной секции, о чем судят по нулевому значению вольтметра 13 выходного напряжения первого блока 11-1 вычитания. В этом случае выходное напряжение первого блока 14-1 деления также будет равно нулю.

При этом положением подвижного контакта потенциометра 12-1 будет зафиксировано значение напряжения, пропорциональное величине Е,(m) напряженности поля волны, отраженной соответствующим числом m зон Френеля (m 1,2, и т.д.).

Далее оператор включает второй СВЧ-генератор 8, настроив его на заданную частоту f₂, получает на выходе первого блока 14-1 деления напряжение, отображающее в заданном масштабе разностную величину напряженности суммарного поля двух волн
u_14-1(m,f₂,h₁)=K (8) где ΔE₂,(m, f₂, h₁) абсолютное значение разностной величины напряженности суммарного поля двух волн, зависящее от числа зон Френеля m, частоты f₂ второго генератора 8 и высоты h₁ подвижной передающей антенны 9.

Величина напряжения U_14-1, определяемая выражением (8), будет также изменяться во времени из-за нестабильности частот f₁ и f₂ генераторов 1 и 8 соответственно.

Все эти изменения U_14-1 и подлежат исследованию в предлагаемом стенде.

На фиг.4 в аксонометрии изображена часть поверхности, образуемая разностной величиной напряженности суммарного поля двух волн в системе координат ΔE , m, f₂, при некоторой заданной величине поднятия подвижной передающей антенны 9 h₁const.

Заштрихованное сечение на фиг.6 образовано плоскостью, проходящей через точку f₂, параллельно плоскости ΔE f₁m.

В точках экстремумов кривой ΔE =Ф(m) показаны пределы изменения величины ΔE во времени от минимального до максимального значений.

Теперь рассмотрим, как производится оценка относительной высоты поднятия второй передающей антенны. Узел 10 перемещения второй передающей антенны 9 соединен с подвижным контактом второго потенциометрического датчика 12-2. Поэтому абсолютное значение высоты h₁поднятия антенны 9 над столом с расположенной на нем металлической пластиной 3 отображается в заданном масштабе в напряжении, снимаемом с подвижного контакта второго потенциометрического датчика 12-2.

Напряжение с подвижного контакта потенциометрического датчика 12-2 поступает на вычитаемый вход второго блока 11-2 вычитания, на вычитающий вход которого поступает напряжение с выхода блока 15 эталонного напряжения, отображающего в заданном масштабе высоту поднятия h первой передающей антенны 2. Выходное напряжение второго блока 11-2 вычитания, отображающее в заданном масштабе разность высот поднятия второй 9 и первой 2 передающих антенн h₁-h, поступает на вход делимого второго блока 14-2 деления, на вход делителя которого поступает выходное напряжение блока 15 эталонного напряжения, пропорциональное величине h.

На выходе второго блока 14-2 деления получаем напряжение, отображающее в заданном масштабе относительную высоту поднятия точки излучения второй волны, т.е. второй передающей антенны 9
u_14-2=K (9)
Напряжение U_14-2 поступает на выход стенда.

Таким образом, как следует из описания работы стенда, в нем расширены функциональные возможности за счет автоматизированной оценки разностной нормированной величины напряженности суммарного поля двух волн в зависимости от относительной высоты поднятия точки излучения второй волны и ее относительной длины.

Формула изобретения

СТЕНД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗОН ФРЕНЕЛЯ ПРИ ОТРАЖЕНИИ РАДИОВОЛН, содержащий первый СВЧ-генератор, соединенный с первой передающей антенной, M металлических пластин, где M целое число для отражения падающих радиоволн, приемную антенну, установленную на устройстве перемещения и подключенную к входу волноводно-детекторной секции, выход которой соединен с входом индикатора, отличающийся тем, что в него введены второй СВЧ-генератор, вторая передающая антенна, снабженная узлом перемещения, подключенная к выходу второго СВЧ-генератора, первый третий блоки вычитания, первый четвертый потенциометрические датчики, первый третий блоки деления, блок эталонного напряжения и вольтметр, при этом выход волноводной детекторной секции соединен с входом вычитания первого блока вычитания, вычитающий выход которого соединен с подвижным контактом первого потенциометрического датчика, выход первого блока вычитания соединен с объединенными входами вольтметра и делимого первого блока деления, вход делителя которого соединен с подвижным контактом первого потенциометрического датчика, вычитаемый вход второго блока вычитания соединен с подвижным контактом второго потенциометрического датчика, подвижный контакт которого механически связан с узлом перемещения второй передающей антенны, вычитающий вход второго блока вычитания объединен с входом делителя второго блока деления и соединен с выходом блока эталонного напряжения, выход второго блока вычитания соединен с входом делимого второго блока деления, выход которого является выходом относительной высоты поднятия точки излучения второй волны, вычитаемый вход третьего блока вычитания соединен с подвижным контактом третьего потенциометрического датчика, подвижный контакт которого механически связан с управляющим узлом второго СВЧ-генератора, вычитающий вход третьего блока вычитания объединен с входом делителя третьего блока деления и соединен с подвижным контактом четвертого потенциометрического датчика, подвижный контакт которого механически связан с управляющим узлом первого СВЧ-генератора, выход третьего блока вычитания соединен с входом делимого третьего блока деления, выход которого является выходом относительной длины волны второго СВЧ-генератора, при этом выход первого блока деления является выходом разностной нормированной напряженности суммарного поля двух волн.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6