Учебный прибор для демонстрации свойств линейных антенн

 

Изобретение может быть использовано в учебном процессе при изучении свойств линейных антенн. Изобретение позволяет оперативно моделировать и наглядно демонстрировать влияние размера апертуры, амплитудно-фазового распределения на диаграмму направленности непрерывной линейной антенны в радиодиапазоне. Учебный прибор состоит из излучателя в виде последовательно размещенных на основании высокочастотного генератора, прямоугольного рупора, электромагнитной линзы, устройства смены масок, сменных масок, поворотной стойки и анализатора, состоящего из приемного рупора, детектора и индикатора. Каждая сменная маска представляет собой металлическую пластину с отверстием, форма и размер которого определяются видом моделируемого амплитудного распределения и электрическим размером моделируемой антенны, с диэлектрической накладкой в виде цилиндрической призмы с образующей кривой, определяемой моделируемым фазовым распределением. Установка излучателя на поворотной стойке и использование устройства смены масок позволяет моделировать непрерывные линейные антенны и изучать их свойства. 3 ил., 1 табл.

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

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 изменения амплитудно-фазового распределения на излучающие свойства.

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 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 изучения свойств антенн. Однако ряд его недостатков существенно ограничивают эту возможность: прибор не позволяет моделировать и изучать влияние амплитудно-фазового распределения на диаграмму направленности антенны, прибор не позволяет моделировать и изучать влияние размера антенны на ее диаграмму направленности.

Цель изобретения обеспечение наглядности и оперативности исследования влияния размера апертуры и амплитудно-фазового распределения на диаграмму направленности непрерывной линейной 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 которого соответствует выражению (2b размер раскрыва рупора излучателя в H-плоскости, E(x) нормированное амплитудное распределение, моделируемое n-ой маской) с диэлектрической накладкой переменной толщины, определяемой выражением фазовое распределение, моделируемое n-ой маской).

Часть отличительных признаков известна 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: 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 амплитудное распределение; на фиг.3 пример выполнения сменной маски с диэлектрической накладкой, моделирующей амплитудно-фазовое распределение.

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 диэлектрической накладкой 12 (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 H. Вид этого распределения неизменен. Для демонстрации различных свойств антенны необходимо обеспечить возможность требуемых изменений распределения пола в апертуре, соответствующих демонстрируемому эффекту. Это обеспечивают сменные маски 6, установленные перед раскрывом рупора в устройстве смены масок 5.

Для демонстрации влияния размера антенны и амплитудного распределения поля на диаграмму направленности требуется обеспечить формирование различных амплитудных распределений в плоскости E. Без использования маски указанное распределение равномерно. На фиг.2 изображена применяемая в данном случае маска 6, представляющая собой металлическую пластину 11 с отверстием, соответствующем моделируемому амплитудному распределению. Диэлектрическая накладка в этом случае отсутствует, т.к. считаем, что ϕ(x)=0, следовательно и l(x) 0.

Размер пластины соответствует раскрыву рупора 3 и составляет 2a x 2b. Форма отверстия определяется: размер Lx электрическим размером моделируемой антенны, профиль видом моделируемого амплитудного распределения E(x) и связан с ним соотношением: Таким образом, используя маски с различными по форме отверстиями, можно осуществить моделирование излучения непрерывных линейных антенн с различными размерами и амплитудными распределениями. В качестве примера в таблице приведены полученные по (1) амплитудные распределения и размеры отверстия для случая 2a 2b 200 мм, Lx 180 мм для трех различных формируемых амплитудных распределений.

Демонстрация влияния фазового распределения на диаграмму направленности антенн осуществляется при помощи установки на металлические пластины 11 диэлектрических накладок 12 переменной толщины (фиг.3). В этом случае электромагнитная волна, проходя через различные участки накладки, приобретает фазовые сдвиги различной величины. Толщина накладки определяется моделируемой маской фазовым распределением ϕ(x): Амплитудное распределение по-прежнему определяется формой отверстия металлической пластины. Выбором пластин с одинаковой формой отверстия и с разными профилями накладок осуществляется демонстрация влияния фазового распределения на диаграмму направленности. Например, использование накладки в форме призмы моделирует излучение антенны с линейным фазовым распределением, а накладка с параболическим профилем моделирует влияние квадратичной фазовой ошибки. Например, при моделировании линейной фазовой ошибки, приводящей к повороту диаграммы направленности на 5^o при размере Lx 180 мм, λ = 30 мм и использовании полистирола с ε = 2,5, диэлектрическая накладка 12 имеет вид призмы с толщиной, изменяющейся по линейному закону от 0 до 27 мм на краю раскрыва. Измерение диаграмм направленности для смоделированного амплитудно-фазового распределения осуществляется определением показаний индикатора 10 при различных углах поворота излучателя на поворотной стойке 7.

Выражение (1) получено следующим образом. Полагаем, что поле в раскрыве рупора, где будет установлена маска, имеет тот же вид, что и поле в возбуждающем волноводе: Отверстие в маске симметрично относительно оси x и определяется кривой y(x), его максимальный размер в плоскости xoz равен Lx. В этой плоскости ДН определяется эквивалентным амплитудным распределением на участке -Lx/2≅x≅Lx/2:
Принимая, что будем формировать нормированное амплитудное распределение (E_max(x)= 1), а маска должна быть наиболее эффективной , имеем E_o= π/4b. Тогда кривая края отверстия имеет вид:

Выражение (2) получено из следующих соображений. Плоская волна, падающая на установленную перед отверстием диэлектрическую цилиндрическую накладку с образующей кривой l(x) при движении от плоскости z=z₀ до плоскости z=0, проходит путь, электрическая длина которого равна и приобретает дополнительную фазовую задержку . Отбрасывая несущественную постоянную фазовую добавку, получаем выражение для профиля накладки , которая обеспечивает получение заданного фазового распределения в раскрыве. Для получения накладки минимальной толщины целесообразно брать ϕ(x)_min = 0.
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 отвердительным 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 устанавливается диэлектрическая накладка при помощи склейки. 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 B 8-7. 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

Учебный прибор для демонстрации свойств линейных антенн, содержащий излучатель в виде последовательно размещенных на основании сверхвысокочастотного 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 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 отверстие, выполненное в металлической пластине с диэлектрической накладкой переменной толщины, при этом форма отверстия n-й массы соответствует выражению

а переменная толщина диэлектрической накладки n-й маски определена из выражения

где 2b размер раскрыва пирамидального рупора излучателя в Н плоскости;
E_n(x)- нормированное амплитудное распределение моделируемой n-й маской линейной антенны;
ϕ_n(x)- фазовое распределение, моделируемое n-й маской линейной антенны;
λ- длина, электромагнитной волны;
ε_n- диэлектрическая проницаемость материала диэлектрической накладки n-й маски.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4