實驗用雷達發(fā)射機的研制及教學(xué)實踐的探索

一、引言

　　隨著高校的擴招和設(shè)備儀器市場價格的高速上漲,實驗室內(nèi)實驗設(shè)備儀器短缺成了各高校普遍存在的問題。廢舊設(shè)備的挖潛成為節(jié)約開支、增加實驗儀器的一條有效途徑。雷達發(fā)射機是雷達教學(xué)中的重要部分,但是配備雷達實裝受經(jīng)費、場地等許多條件的限制。開發(fā)一個簡單實用的實驗用雷達發(fā)射機有重要意義。

　　隨著部隊裝備的升級換代,以及實驗室儀器的自然淘汰,各實驗室內(nèi)都有大量的廢舊裝備。大型裝備內(nèi)部的部分元器件還是比較好的,還是有利用價值的,比如磁控管、閘流管等,雖然性能參數(shù)有所下降,但都不影響使用,而對于波導(dǎo)一類的高頻器件,由于保管良好,性能參數(shù)都沒有改變。以往這些裝備(包括成批的備附件)都是按編制報廢的。這些待報廢的廢舊裝備和備附件為我們自主開發(fā)儀器提供了物質(zhì)基礎(chǔ),我們就利用這些備品、備件,研制了實驗用雷達發(fā)射機?，F(xiàn)以所研制的實驗用雷達發(fā)射機為例,介紹一下我們在實驗教學(xué)方面所做的探索。

　　二、實驗用發(fā)射機的系統(tǒng)設(shè)計

　　實驗用發(fā)射機的研制經(jīng)歷了選調(diào)優(yōu)秀學(xué)員組成研發(fā)團隊、圖紙設(shè)計、組裝調(diào)試和生產(chǎn)樣機幾個階段。
根據(jù)備品備件情況,所設(shè)計的雷達發(fā)射機如圖1所示。包含了供電控制模塊、電源模塊、定時器模塊、調(diào)制器模塊、磁控管振蕩器模塊,以及電流表和電壓表等指示儀表。


圖 1 發(fā)射機原理圖

　三、研制生產(chǎn)及調(diào)試

　　1.組裝調(diào)試
根據(jù)所設(shè)計的原理圖,從備品備件中尋找各種備件,首先用萬用表等簡單儀器對各種變壓器、閘流管和電子管及磁控管的燈絲、整流二極管、電阻、電容等進行了初步篩選。然后利用一塊三合板作底板,按原理圖進行了組裝。
組裝時充分考慮了電磁兼容問題,主要是射頻線路與中頻線路及中頻電源的互相隔離情況。組裝后經(jīng)多次調(diào)試,終于成功。
2.生產(chǎn)樣機及性能測量
在三合板上調(diào)試好以后,購買了標(biāo)準(zhǔn)機箱,進行組裝。由于空間位置、走線分布等問題,在組裝過程中實際上又經(jīng)歷了一遍調(diào)試過程。組裝成功后,使學(xué)員對雷達發(fā)射機的原理有了更深切的了解,同時對于電子線路、射頻工程、機械工程等多種學(xué)科知識都得到了理論上的升華和實踐技能的提高。組裝成功的樣機如圖2所示。
微波的頻率高,其波長與電路系統(tǒng)的尺寸可相比擬,甚至更短,這時傳輸線上的電壓、電流既是時間的函數(shù),又是位置的函數(shù),使得電磁場的能分布于整個微波電路而形成“分布參數(shù)”,導(dǎo)致微波的傳輸與普通無線電波波段完全不同。因此微波系統(tǒng)的測量參量是功率、波長和駐波參量,這是和低頻電路完全不同的。對所生產(chǎn)的發(fā)射機樣機的性能參數(shù)的測量,在后面介紹。

　　
圖 2 發(fā)射機組裝樣機

　　四、在實踐教學(xué)中的應(yīng)用

　　雷達發(fā)射機配套其他實驗時,同時也是對雷達發(fā)射機本身的性能參數(shù)進行測量,是對發(fā)射機性能的一次檢驗。
雷達發(fā)射機的制作成功,不僅是解決了射頻信號的產(chǎn)生這個實驗所需儀器的購買問題,對于要針對發(fā)射機做的其他實驗,由于在實裝雷達上又難以做到的各種實驗,用本實驗用發(fā)射機都可以很好解決。因為對發(fā)射機的各種參數(shù)測量,一般需要連接各種波導(dǎo)件,這種剛性連接在許多情況下在實裝雷達發(fā)射機上都比較困難,況且對于沒有任何經(jīng)驗的新學(xué)員來說在實裝雷達上做微波測量實驗,對人身和對設(shè)備都有一定的危險性。但對于一臺獨立的發(fā)射機來說,要對其進行微波測量就不受場地空間的限制、不受連接波導(dǎo)的限制,也避免使學(xué)員面對幾百萬的裝備所產(chǎn)生的一種畏懼心理和神秘心理所可能導(dǎo)致的各種誤操作。下面介紹一下所研制的發(fā)射機的性能參數(shù)測量,以及為其他實驗作配套時的學(xué)員實操結(jié)果。

　　1.發(fā)射機功率、頻譜測量

　　發(fā)射機功率的測量方法有功率計直接測量和頻譜分析儀綜合測量。不管那種方法測量首先必須考慮到測量儀器所能接受的功率范圍。本實驗用頻譜分析儀綜合測量法來測量樣機的功率和頻譜。由于頻譜分析儀只能接受30dBmW的功率,因此用衰減度為28.7dB的定向耦合器連接精密衰減器對微波多級衰減后進入頻譜分析儀,實測其功率為xxW、頻譜寬度為xxMHz。測量結(jié)果如圖3所示。

　　
圖 3 發(fā)射機功率、頻譜測量

　2.發(fā)射機頻率測量

　　發(fā)射機頻率的測量也可以使用頻譜分析儀。本實驗采用的是諧振腔式直讀式頻率計測量,其原理是電磁波通過耦合孔從波導(dǎo)進入頻率計的空腔中,當(dāng)電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時,被吸收的能量為最大,相應(yīng)地,通過的電磁波信號強度將減弱,輸出輻度將出現(xiàn)明顯的凹陷,從外殼表面上可直接讀出輸入微波的頻率。實驗時,發(fā)射機來的微波經(jīng)定向耦合器衰減后連接到直讀式頻率計,旋轉(zhuǎn)其轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),用萬用表檢測其檢波電流,當(dāng)檢波電流值最大時,頻率計對應(yīng)的頻率讀數(shù)即為微波頻率。發(fā)射機頻率測量如圖4所示。

3.饋線駐波比測量

　　駐波測量線是測量微波傳輸系統(tǒng)中電場的強弱和分布的精密儀器。其結(jié)構(gòu)是在波導(dǎo)中的寬邊中央開有一個狹槽,金屬探針經(jīng)狹槽伸入波導(dǎo)中。由于探針與電場平行,電場的變化在探針上感應(yīng)出的電動勢經(jīng)過晶體檢波器變成電流信號輸出。探針可沿波導(dǎo)移動,則輸出信號顯示出波導(dǎo)中電場沿傳播方向的變化。駐波比是饋線系統(tǒng)的一項重要指標(biāo),其符號用ρ表示,其定義為:

其中:Emax為波腹點電場E的大小,Emin波節(jié)點電場E的大小。
測量駐波比如圖5所示。

圖 4 發(fā)射機頻率測量圖 5 發(fā)射機饋線系統(tǒng)駐波比測量

　　4.射頻信號發(fā)射接收實驗

　　射頻信號的發(fā)射接收實驗是通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換將發(fā)射機發(fā)出的微波經(jīng)同軸電纜連接至一對喇叭天線,經(jīng)接收后用頻譜分析儀測量其頻率與功率。實測效果如圖6所示。



圖 6 射頻信號發(fā)射接收實驗

　　五、創(chuàng)新制作心得

　　利用廢舊設(shè)備的備品備件研制教學(xué)用儀器,是在市場經(jīng)濟條件下高校實驗室建設(shè)的一條有益途徑。所制作的儀器具有貼近自身實驗室特色、簡單實用的特點,既緩解了實驗室建設(shè)經(jīng)費短缺的矛盾,又是提高本科學(xué)員的創(chuàng)新能力的探索與實踐,符合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的精神。
挑選的兩名學(xué)員是大四的學(xué)生,暑期已經(jīng)參加過了電子設(shè)計競賽,有一定的基本知識及經(jīng)驗,有一定的實踐能力,但是要研制工作于微波波段的雷達發(fā)射機,由于有許多新特點是電子設(shè)計競賽中所沒有的,這對他們來講,還是有挑戰(zhàn)性的;并且在進行發(fā)射機的設(shè)計與制作過程中,通過與教員的共同討論、設(shè)計、制作,激發(fā)了學(xué)員的興趣與潛力,而學(xué)員的創(chuàng)新思維也激發(fā)了教員的靈感,使研制工作形成了師生互動的良性循環(huán)。

　　六、結(jié)束語

　　本實驗用雷達發(fā)射機可作為學(xué)員學(xué)習(xí)雷達發(fā)射機原理的教學(xué)儀器,理解雷達射頻信號的產(chǎn)生機理;可作為發(fā)射機頻率的測量、發(fā)射機功率的測量、發(fā)射機頻譜的測量、饋線系統(tǒng)駐波比的測量、雷達信號接收等實驗的配套儀器使用,提供射頻信號。
雷達發(fā)射機的研制需要電子線路、射頻工程、機械工程等多學(xué)科的知識,教研室教員到雷達工程專業(yè)學(xué)員中經(jīng)多方了解,最終選調(diào)了兩名參加過電子設(shè)計競賽的平常學(xué)習(xí)成績優(yōu)秀的學(xué)員,組成研制團隊。由教員負(fù)責(zé)指導(dǎo),由學(xué)員負(fù)責(zé)設(shè)計、調(diào)試的具體工作。這種研制團隊結(jié)構(gòu)可作為激發(fā)學(xué)員的創(chuàng)新精神、實踐能力的綜合平臺。
本實驗用雷達發(fā)射機的制作成功,可以在一定程度上替代幾十萬的雷達裝備作為教學(xué)平臺使用,節(jié)約了經(jīng)費,緩解了儀器短缺的困難。同時,為探索為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)、為實驗教育技術(shù)的探索、為實驗教學(xué)改革、為實驗資產(chǎn)管理等實驗室建設(shè)的各方面提供了初步探索。