實(shí)驗用雷達發(fā)射機的研制及教學(xué)實(shí)踐的探索

一、引言

　　隨著(zhù)高校的擴招和設備儀器市場(chǎng)價(jià)格的高速上漲,實(shí)驗室內實(shí)驗設備儀器短缺成了各高校普遍存在的問(wèn)題。廢舊設備的挖潛成為節約開(kāi)支、增加實(shí)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(shí)裝受經(jīng)費、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)驗用雷達發(fā)射機有重要意義。

　　隨著(zhù)部隊裝備的升級換代,以及實(shí)驗室儀器的自然淘汰,各實(shí)驗室內都有大量的廢舊裝備。大型裝備內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,雖然性能參數有所下降,但都不影響使用,而對于波導一類(lèi)的高頻器件,由于保管良好,性能參數都沒(méi)有改變。以往這些裝備(包括成批的備附件)都是按編制報廢的。這些待報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,我們就利用這些備品、備件,研制了實(shí)驗用雷達發(fā)射機?，F以所研制的實(shí)驗用雷達發(fā)射機為例,介紹一下我們在實(shí)驗教學(xué)方面所做的探索。

　　二、實(shí)驗用發(fā)射機的系統設計

　　實(shí)驗用發(fā)射機的研制經(jīng)歷了選調優(yōu)秀學(xué)員組成研發(fā)團隊、圖紙設計、組裝調試和生產(chǎn)樣機幾個(gè)階段。
根據備品備件情況,所設計的雷達發(fā)射機如圖1所示。包含了供電控制模塊、電源模塊、定時(shí)器模塊、調制器模塊、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)及調試

　　1.組裝調試
根據所設計的原理圖,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(xiàn)路與中頻線(xiàn)路及中頻電源的互相隔離情況。組裝后經(jīng)多次調試,終于成功。
2.生產(chǎn)樣機及性能測量
在三合板上調試好以后,購買(mǎi)了標準機箱,進(jìn)行組裝。由于空間位置、走線(xiàn)分布等問(wèn)題,在組裝過(guò)程中實(shí)際上又經(jīng)歷了一遍調試過(guò)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(shí)對于電子線(xiàn)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(shí)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(cháng)與電路系統的尺寸可相比擬,甚至更短,這時(shí)傳輸線(xiàn)上的電壓、電流既是時(shí)間的函數,又是位置的函數,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”,導致微波的傳輸與普通無(wú)線(xiàn)電波波段完全不同。因此微波系統的測量參量是功率、波長(cháng)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的測量,在后面介紹。

　　
圖 2 發(fā)射機組裝樣機

　　四、在實(shí)踐教學(xué)中的應用

　　雷達發(fā)射機配套其他實(shí)驗時(shí),同時(shí)也是對雷達發(fā)射機本身的性能參數進(jìn)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(gè)實(shí)驗所需儀器的購買(mǎi)問(wèn)題,對于要針對發(fā)射機做的其他實(shí)驗,由于在實(shí)裝雷達上又難以做到的各種實(shí)驗,用本實(shí)驗用發(fā)射機都可以很好解決。因為對發(fā)射機的各種參數測量,一般需要連接各種波導件,這種剛性連接在許多情況下在實(shí)裝雷達發(fā)射機上都比較困難,況且對于沒(méi)有任何經(jīng)驗的新學(xué)員來(lái)說(shuō)在實(shí)裝雷達上做微波測量實(shí)驗,對人身和對設備都有一定的危險性。但對于一臺獨立的發(fā)射機來(lái)說(shuō),要對其進(jìn)行微波測量就不受場(chǎng)地空間的限制、不受連接波導的限制,也避免使學(xué)員面對幾百萬(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)射機的性能參數測量,以及為其他實(shí)驗作配套時(shí)的學(xué)員實(shí)操結果。

　　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?jì)x器所能接受的功率范圍。本實(shí)驗用頻譜分析儀綜合測量法來(lái)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(jìn)入頻譜分析儀,實(shí)測其功率為xxW、頻譜寬度為xxMHz。測量結果如圖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(shí)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(guò)耦合孔從波導進(jìn)入頻率計的空腔中,當電磁波的頻率滿(mǎn)足空腔的諧振條件時(shí),被吸收的能量為最大,相應地,通過(guò)的電磁波信號強度將減弱,輸出輻度將出現明顯的凹陷,從外殼表面上可直接讀出輸入微波的頻率。實(shí)驗時(shí),發(fā)射機來(lái)的微波經(jīng)定向耦合器衰減后連接到直讀式頻率計,旋轉其轉動(dòng)關(guān)節,用萬(wàn)用表檢測其檢波電流,當檢波電流值最大時(shí),頻率計對應的頻率讀數即為微波頻率。發(fā)射機頻率測量如圖4所示。

3.饋線(xiàn)駐波比測量

　　駐波測量線(xiàn)是測量微波傳輸系統中電場(chǎng)的強弱和分布的精密儀器。其結構是在波導中的寬邊中央開(kāi)有一個(gè)狹槽,金屬探針經(jīng)狹槽伸入波導中。由于探針與電場(chǎng)平行,電場(chǎng)的變化在探針上感應出的電動(dòng)勢經(jīng)過(guò)晶體檢波器變成電流信號輸出。探針可沿波導移動(dòng),則輸出信號顯示出波導中電場(chǎng)沿傳播方向的變化。駐波比是饋線(xiàn)系統的一項重要指標,其符號用ρ表示,其定義為:

其中:Emax為波腹點(diǎn)電場(chǎng)E的大小,Emin波節點(diǎn)電場(chǎng)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(xiàn)系統駐波比測量

　　4.射頻信號發(fā)射接收實(shí)驗

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



圖 6 射頻信號發(fā)射接收實(shí)驗

　　五、創(chuàng )新制作心得

　　利用廢舊設備的備品備件研制教學(xué)用儀器,是在市場(chǎng)經(jīng)濟條件下高校實(shí)驗室建設的一條有益途徑。所制作的儀器具有貼近自身實(shí)驗室特色、簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn),既緩解了實(shí)驗室建設經(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(shí)踐,符合創(chuàng )新型人才培養的精神。
挑選的兩名學(xué)員是大四的學(xué)生,暑期已經(jīng)參加過(guò)了電子設計競賽,有一定的基本知識及經(jīng)驗,有一定的實(shí)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(diǎn)是電子設計競賽中所沒(méi)有的,這對他們來(lái)講,還是有挑戰性的;并且在進(jìn)行發(fā)射機的設計與制作過(guò)程中,通過(guò)與教員的共同討論、設計、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(dòng)的良性循環(huán)。

　　六、結束語(yǔ)

　　本實(shí)驗用雷達發(fā)射機可作為學(xué)員學(xué)習雷達發(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(xiàn)系統駐波比的測量、雷達信號接收等實(shí)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(xiàn)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(zhuān)業(yè)學(xué)員中經(jīng)多方了解,最終選調了兩名參加過(guò)電子設計競賽的平常學(xué)習成績(jì)優(yōu)秀的學(xué)員,組成研制團隊。由教員負責指導,由學(xué)員負責設計、調試的具體工作。這種研制團隊結構可作為激發(fā)學(xué)員的創(chuàng )新精神、實(shí)踐能力的綜合平臺。
本實(shí)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(wàn)的雷達裝備作為教學(xué)平臺使用,節約了經(jīng)費,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、為實(shí)驗教育技術(shù)的探索、為實(shí)驗教學(xué)改革、為實(shí)驗資產(chǎn)管理等實(shí)驗室建設的各方面提供了初步探索。