Учебный прибор для демонстрации свойств антенн с плоским раскрывом

 

Изобретение может быть использовано в учебном процессе при излучении свойств антенн с плоским раскрывом. Изобретение позволяет оперативно моделировать непрерывные антенны и демонстрировать влияние формы, размера раскрыва и его затенения на диаграмму направленности антенны, ее поляризационных характеристик. Учебный прибор состоит из излучателя в виде последовательно размещенных на основании высокочастотного генератора, прямоугольного рупора, электромагнитной линзы, устройства смены масок, сменных масок, поворотной стойки 7 и анализатора, состоящего из приемного рупора, детектора, индикатора и держателя приемного рупора. Каждая сменная маска представляет собой металлическую пластину с отверстием, форма и размер которого соответствует форме и размеру раскрыва моделируемой антенны. Для моделирования затенения части раскрыва антенны в пределах отверстия маски размещен металлический элемент, форма которого соответствует форме проекции затеняющих элементов конструкции на раскрыв антенны. За отверстием маски при необходимости моделирования поляризационных характеристик устанавливается система параллельных металлических перегородок. Установка излучателя на поворотной стойке, анализатора на держателе, допускающем вращение анализатора, и использование устройства смены масок позволяют моделировать непрерывные антенны с плоским раскрывом и излучать их свойства. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к приборам для обучения и может быть использовано в учебном процессе для изучения антенн с плоским раскрывом.

Известны устройства для изучения волноводных процессов в электромагнитном поле. Таковы учебные приборы по электромагнетизму (а.с. N 739630, БИ 21,1980, а. с. N 1008769, БИ 12,1983, а.с. 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 книгах "Лекционные демонстрации по физике" п/ред. В. И. Иверовича. -М. Наука, 1972, В.В.Юдкевич 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 излучения зависимостей теории антенн, например, влияния формы, размера раскрыва антенны и его затенения на диаграмму направленности.

Известны устройства для моделирования антенн в оптическом диапазоне волн (например А.З.Фрадин, Е.В.Рыжков "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 прецезионной точности изготовления элементов-транспарантов, что также является препятствием для применения этого прибора как учебного.

Наиболее близким по технической сущности является учебный прибор по а.с. 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 сверхвысокочастотном 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 излучения свойств антенн. Однако ряд его недостатков существенно ограничивают эту возможность: прибор не позволяет моделировать и излучать влияние формы и размера раскрыва, а также его затенения на диаграмму направленности антенны; прибор не обеспечивает возможность измерения поляризационных характеристик антенны.

При создании изобретения решалась техническая задача обеспечения наглядности и оперативности исследования влияния формы, размера раскрыва антенны и его затенения, а также поляризационных характеристик на диаграмму направленности антенны в радиодиапазоне. Задача решена тем, что в учебном приборе для демонстрации свойств линейных антенн, содержащем 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 маски, каждая из которых выполнена в виде металлической пластины с отверстием, форма и размер которого соответствует форме и размерам раскрыва n-ой моделируемой антенны. Отверстия могут иметь круглую, прямоугольную или другую форму. Для моделирования затенения части раскрыва антенны облучателем и/или другими элементами конструкции в пределах отверстия маски размещен металлический элемент, форма которого соответствует форме проекции затеняющих элементов на раскрыв антенны. Для моделирования поляризационных характеристик антенн с плоским раскрывом анализатор прибора установлен на держателе, допускающем вращение анализатора вокруг оси, направленной на излучатель, кроме того перед отверстиями масок, перпендикулярно их плоскости, под углом 45^o к сторонам раскрыва излучателя, параллельно друг другу на расстоянии d, лежащем в пределах λ/2< d<λ установлены системы прямоугольных металлических перегородок с шириной h_n, лежащей в пределах .

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 (см. например, А. З. Фрадин, Е.В.Рыжков "Измерение параметров антенно-фидерных устройств", М. Связь, 1972, с. 282). Казанные 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: моделирование 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 прибора, на фиг. 2 пример выполнения n-ой сменной маски, моделирующей антенну с круглым раскрывом, затененным круглым облучателем, на фиг. 3 пример выполнения сменной маски, моделирующей поляризационные характеристики антенн с плоским раскрывом.

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, индикатора 10, держателя приемного рупора 11. Маска 6 выполнена в виде металлической пластины 112, диэлектрического листа 13, металлического элемента 14 (фиг. 2) и системы металлических перегородок 15 (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 интенсивности E(x, y), имеющее в случае рупора прямоугольного сечения равномерное распределение амплитуд в плоскости E и косинусное распределение в плоскости H. 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.

Для демонстрации влияния формы и размера раскрыва антенны и его затенения на диаграмму направленности антенны используются маски (фиг.2), представляющие собой металлические пластины 12 с отверстиями и укрепленными на диэлектрических листах 13 металлическими элементами 14.

Равномерное распределение поля рупора 3 излучателя при прохождении через такую маску трансформируется. Размер отверстия lx в E-плоскости и его форма определяют размер и форму раскрыва моделируемой антенны. Размер l'x и форма металлического элемента 14 моделируют затенение раскрыва антенны. Таким образом, используя маски с различными по форме и размерам отверстиями и металлическими элемента 14, можно осуществить моделирование и демонстрацию зависимости от этих параметров диаграммы направленности антенны с плоским раскрывом.

Измерение диаграммы направленности смоделированной антенны осуществляется определением показаний индикатора 10 при различных углах поворота излучателя на поворотной стойке 7.

Для демонстрации и излучения поляризационных характеристик диаграммы направленности антенн перед отверстием масок 12, перпендикулярно их плоскости, под углом 45^o к сторонам раскрыва излучателя параллельно друг другу установлена система металлических перегородок 15 (фиг.3). Волны, распространяющиеся в пространстве между любой парой перегородок в силу свойств волноводов приобретают различные фазовые задержки для составляющих, параллельных перегородкам и перпендикулярных им. В результате поле на выходной поверхности маски 6 имеет эллиптическую поляризацию. Использованием масок с различными размерами h и d осуществляется моделирование излучения антенн с различными поляризационными свойствами. Так например, при рабочей длине волны λ = 30 мм, расстоянии между перегородками 15 d= 20мм круговая поляризация поля на выходной поверхности маски получается при h 22,5 мм. При измерении диаграмм направленности определение поляризации поля излучения и поляризационной характеристики осуществляется путем поворота рупора анализатора на держателе 11 вокруг оси, направленной на излучатель.

Учебный прибор может быть выполнен 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, размеры которого определяются величиной моделируемых антенн и могут составлять: размер апертуры рупора (10...15)λ, где X(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. В пластинах проделаны отверстия, а в случае использования фольгированного диэлектрика удаляется металлизация на участках, соответствующих отверстию. 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

1. Учебный прибор для демонстрации свойств антенн с плоским раскрывом, содержащий излучатель в виде последовательно размещенных на основании СВЧ - генератора, прямоугольного волновода, пирамидального рупора, электромагнитной линзы и маски, установленной в раскрыве этой линзы, и анализатор в виде пирамидального рупора, прямоугольного волновода, детектора и индикатора, отличающийся тем, что излучатель установлен на поворотной стойке, снабженной отсчетной 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 отверстие, выполненное в металлической пластине, в пределах которого размещен металлический элемент, форма которого соответствует проекции затеняющих элементов на раскрыв моделируемой n-й маской антенны, а форма и размеры отверстия соответствуют форме и размерам раскрыва этой антенны.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что анализатор установлен на держателе с возможностью вращения вокруг оси, направленной на излучатель, а перед маской перпендикулярно ее плоскости под углом 45^o к сторонам раскрыва пирамидального рупора излучателя установлены прямоугольные металлические перегородки, расположенные одна от другой на расстоянии d, лежащем в пределах λ/2 < d < λ, шириной h, лежащей в пределах где λ длина электромагнитной волны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3