учебный прибор для демонстрации свойств антенн с плоским раскрывом

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 /2 < d < , шириной h, лежащей в пределах



где длина электромагнитной волны.

Описание изобретения к патенту

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 /2< d< 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 = 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), где X(10...15), где длина волны, длина рупора (20...30). 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.