實(shí)驗(yàn)用雷達(dá)發(fā)射機(jī)的研制及教學(xué)實(shí)踐的探索

一、引言

　　隨著高校的擴(kuò)招和設(shè)備儀器市場(chǎng)價(jià)格的高速上漲,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器短缺成了各高校普遍存在的問(wèn)題。廢舊設(shè)備的挖潛成為節(jié)約開(kāi)支、增加實(shí)驗(yàn)儀器的一條有效途徑。雷達(dá)發(fā)射機(jī)是雷達(dá)教學(xué)中的重要部分,但是配備雷達(dá)實(shí)裝受經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地等許多條件的限制。開(kāi)發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的實(shí)驗(yàn)用雷達(dá)發(fā)射機(jī)有重要意義。

　　隨著部隊(duì)裝備的升級(jí)換代,以及實(shí)驗(yàn)室儀器的自然淘汰,各實(shí)驗(yàn)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(jià)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(duì)于波導(dǎo)一類的高頻器件,由于保管良好,性能參數(shù)都沒(méi)有改變。以往這些裝備(包括成批的備附件)都是按編制報(bào)廢的。這些待報(bào)廢的廢舊裝備和備附件為我們自主開(kāi)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(shí)驗(yàn)用雷達(dá)發(fā)射機(jī)。現(xiàn)以所研制的實(shí)驗(yàn)用雷達(dá)發(fā)射機(jī)為例,介紹一下我們?cè)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/實(shí)驗(yàn)教學(xué)">實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面所做的探索。

　　二、實(shí)驗(yàn)用發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　實(shí)驗(yàn)用發(fā)射機(jī)的研制經(jīng)歷了選調(diào)優(yōu)秀學(xué)員組成研發(fā)團(tuán)隊(duì)、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、組裝調(diào)試和生產(chǎn)樣機(jī)幾個(gè)階段。
根據(jù)備品備件情況,所設(shè)計(jì)的雷達(dá)發(fā)射機(jī)如圖1所示。包含了供電控制模塊、電源模塊、定時(shí)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(jī)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(jì)的原理圖,從備品備件中尋找各種備件,首先用萬(wàn)用表等簡(jiǎn)單儀器對(duì)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(jìn)行了初步篩選。然后利用一塊三合板作底板,按原理圖進(jìn)行了組裝。
組裝時(shí)充分考慮了電磁兼容問(wèn)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(jī)及性能測(cè)量
在三合板上調(diào)試好以后,購(gòu)買(mǎi)了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱,進(jìn)行組裝。由于空間位置、走線分布等問(wèn)題,在組裝過(guò)程中實(shí)際上又經(jīng)歷了一遍調(diào)試過(guò)程。組裝成功后,使學(xué)員對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的原理有了更深切的了解,同時(shí)對(duì)于電子線路、射頻工程、機(jī)械工程等多種學(xué)科知識(shí)都得到了理論上的升華和實(shí)踐技能的提高。組裝成功的樣機(jī)如圖2所示。
微波的頻率高,其波長(zhǎng)與電路系統(tǒng)的尺寸可相比擬,甚至更短,這時(shí)傳輸線上的電壓、電流既是時(shí)間的函數(shù),又是位置的函數(shù),使得電磁場(chǎng)的能分布于整個(gè)微波電路而形成“分布參數(shù)”,導(dǎo)致微波的傳輸與普通無(wú)線電波波段完全不同。因此微波系統(tǒng)的測(cè)量參量是功率、波長(zhǎng)和駐波參量,這是和低頻電路完全不同的。對(duì)所生產(chǎn)的發(fā)射機(jī)樣機(jī)的性能參數(shù)的測(cè)量,在后面介紹。

　　
圖 2 發(fā)射機(jī)組裝樣機(jī)

　　四、在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

　　雷達(dá)發(fā)射機(jī)配套其他實(shí)驗(yàn)時(shí),同時(shí)也是對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)本身的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,是對(duì)發(fā)射機(jī)性能的一次檢驗(yàn)。
雷達(dá)發(fā)射機(jī)的制作成功,不僅是解決了射頻信號(hào)的產(chǎn)生這個(gè)實(shí)驗(yàn)所需儀器的購(gòu)買(mǎi)問(wèn)題,對(duì)于要針對(duì)發(fā)射機(jī)做的其他實(shí)驗(yàn),由于在實(shí)裝雷達(dá)上又難以做到的各種實(shí)驗(yàn),用本實(shí)驗(yàn)用發(fā)射機(jī)都可以很好解決。因?yàn)閷?duì)發(fā)射機(jī)的各種參數(shù)測(cè)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(shí)裝雷達(dá)發(fā)射機(jī)上都比較困難,況且對(duì)于沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)的新學(xué)員來(lái)說(shuō)在實(shí)裝雷達(dá)上做微波測(cè)量實(shí)驗(yàn),對(duì)人身和對(duì)設(shè)備都有一定的危險(xiǎn)性。但對(duì)于一臺(tái)獨(dú)立的發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō),要對(duì)其進(jìn)行微波測(cè)量就不受場(chǎng)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(duì)幾百萬(wàn)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(jī)的性能參數(shù)測(cè)量,以及為其他實(shí)驗(yàn)作配套時(shí)的學(xué)員實(shí)操結(jié)果。

　　1.發(fā)射機(jī)功率、頻譜測(cè)量

　　發(fā)射機(jī)功率的測(cè)量方法有功率計(jì)直接測(cè)量和頻譜分析儀綜合測(cè)量。不管那種方法測(cè)量首先必須考慮到測(cè)量?jī)x器所能接受的功率范圍。本實(shí)驗(yàn)用頻譜分析儀綜合測(cè)量法來(lái)測(cè)量樣機(jī)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(duì)微波多級(jí)衰減后進(jìn)入頻譜分析儀,實(shí)測(cè)其功率為xxW、頻譜寬度為xxMHz。測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

　　
圖 3 發(fā)射機(jī)功率、頻譜測(cè)量

　2.發(fā)射機(jī)頻率測(cè)量

　　發(fā)射機(jī)頻率的測(cè)量也可以使用頻譜分析儀。本實(shí)驗(yàn)采用的是諧振腔式直讀式頻率計(jì)測(cè)量,其原理是電磁波通過(guò)耦合孔從波導(dǎo)進(jìn)入頻率計(jì)的空腔中,當(dāng)電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時(shí),被吸收的能量為最大,相應(yīng)地,通過(guò)的電磁波信號(hào)強(qiáng)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(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)射機(jī)來(lái)的微波經(jīng)定向耦合器衰減后連接到直讀式頻率計(jì),旋轉(zhuǎn)其轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),用萬(wàn)用表檢測(cè)其檢波電流,當(dāng)檢波電流值最大時(shí),頻率計(jì)對(duì)應(yīng)的頻率讀數(shù)即為微波頻率。發(fā)射機(jī)頻率測(cè)量如圖4所示。

3.饋線駐波比測(cè)量

　　駐波測(cè)量線是測(cè)量微波傳輸系統(tǒng)中電場(chǎng)的強(qiáng)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(kāi)有一個(gè)狹槽,金屬探針經(jīng)狹槽伸入波導(dǎo)中。由于探針與電場(chǎng)平行,電場(chǎng)的變化在探針上感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)晶體檢波器變成電流信號(hào)輸出。探針可沿波導(dǎo)移動(dòng),則輸出信號(hào)顯示出波導(dǎo)中電場(chǎng)沿傳播方向的變化。駐波比是饋線系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo),其符號(hào)用ρ表示,其定義為:

其中:Emax為波腹點(diǎn)電場(chǎng)E的大小,Emin波節(jié)點(diǎn)電場(chǎng)E的大小。
測(cè)量駐波比如圖5所示。

圖 4 發(fā)射機(jī)頻率測(cè)量圖 5 發(fā)射機(jī)饋線系統(tǒng)駐波比測(cè)量

　　4.射頻信號(hào)發(fā)射接收實(shí)驗(yàn)

　　射頻信號(hào)的發(fā)射接收實(shí)驗(yàn)是通過(guò)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換將發(fā)射機(jī)發(fā)出的微波經(jīng)同軸電纜連接至一對(duì)喇叭天線,經(jīng)接收后用頻譜分析儀測(cè)量其頻率與功率。實(shí)測(cè)效果如圖6所示。



圖 6 射頻信號(hào)發(fā)射接收實(shí)驗(yàn)

　　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(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的一條有益途徑。所制作的儀器具有貼近自身實(shí)驗(yàn)室特色、簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn),既緩解了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)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(shí)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(guò)了電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽,有一定的基本知識(shí)及經(jīng)驗(yàn),有一定的實(shí)踐能力,但是要研制工作于微波波段的雷達(dá)發(fā)射機(jī),由于有許多新特點(diǎn)是電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中所沒(méi)有的,這對(duì)他們來(lái)講,還是有挑戰(zhàn)性的;并且在進(jìn)行發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中,通過(guò)與教員的共同討論、設(shè)計(jì)、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(dòng)的良性循環(huán)。

　　六、結(jié)束語(yǔ)

　　本實(shí)驗(yàn)用雷達(dá)發(fā)射機(jī)可作為學(xué)員學(xué)習(xí)雷達(dá)發(fā)射機(jī)原理的教學(xué)儀器,理解雷達(dá)射頻信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理;可作為發(fā)射機(jī)頻率的測(cè)量、發(fā)射機(jī)功率的測(cè)量、發(fā)射機(jī)頻譜的測(cè)量、饋線系統(tǒng)駐波比的測(cè)量、雷達(dá)信號(hào)接收等實(shí)驗(yàn)的配套儀器使用,提供射頻信號(hào)。
雷達(dá)發(fā)射機(jī)的研制需要電子線路、射頻工程、機(jī)械工程等多學(xué)科的知識(shí),教研室教員到雷達(dá)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(guò)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的平常學(xué)習(xí)成績(jī)優(yōu)秀的學(xué)員,組成研制團(tuán)隊(duì)。由教員負(fù)責(zé)指導(dǎo),由學(xué)員負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、調(diào)試的具體工作。這種研制團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)可作為激發(fā)學(xué)員的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力的綜合平臺(tái)。
本實(shí)驗(yàn)用雷達(dá)發(fā)射機(jī)的制作成功,可以在一定程度上替代幾十萬(wàn)的雷達(dá)裝備作為教學(xué)平臺(tái)使用,節(jié)約了經(jīng)費(fèi),緩解了儀器短缺的困難。同時(shí),為探索為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)、為實(shí)驗(yàn)教育技術(shù)的探索、為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、為實(shí)驗(yàn)資產(chǎn)管理等實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的各方面提供了初步探索。