實驗用雷達發射機的研制及教學實踐的探索

一、引言

　　隨著高校的擴招和設備儀器市場價格的高速上漲,實驗室內實驗設備儀器短缺成了各高校普遍存在的問題。廢舊設備的挖潛成為節約開支、增加實驗儀器的一條有效途徑。雷達發射機是雷達教學中的重要部分,但是配備雷達實裝受經費、場地等許多條件的限制。開發一個簡單實用的實驗用雷達發射機有重要意義。

　　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,而對于波導一類的高頻器件,由于保管良好,性能參數都沒有改變。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儀器提供了物質基礎,我們就利用這些備品、備件,研制了實驗用雷達發射機。現以所研制的實驗用雷達發射機為例,介紹一下我們在實驗教學方面所做的探索。

　　二、實驗用發射機的系統設計

　　實驗用發射機的研制經歷了選調優秀學員組成研發團隊、圖紙設計、組裝調試和生產樣機幾個階段。
根據備品備件情況,所設計的雷達發射機如圖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 發射機原理圖

　三、研制生產及調試

　　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。組裝后經多次調試,終于成功。
2.生產樣機及性能測量
在三合板上調試好以后,購買了標準機箱,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歷了一遍調試過程。組裝成功后,使學員對雷達發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,又是位置的函數,使得電磁場的能分布于整個微波電路而形成“分布參數”,導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。對所生產的發射機樣機的性能參數的測量,在后面介紹。

　　
圖 2 發射機組裝樣機

　　四、在實踐教學中的應用

　　雷達發射機配套其他實驗時,同時也是對雷達發射機本身的性能參數進行測量,是對發射機性能的一次檢驗。
雷達發射機的制作成功,不僅是解決了射頻信號的產生這個實驗所需儀器的購買問題,對于要針對發射機做的其他實驗,由于在實裝雷達上又難以做到的各種實驗,用本實驗用發射機都可以很好解決。因為對發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裝雷達發射機上都比較困難,況且對于沒有任何經驗的新學員來說在實裝雷達上做微波測量實驗,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、不受連接波導的限制,也避免使學員面對幾百萬的裝備所產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射機的性能參數測量,以及為其他實驗作配套時的學員實操結果。

　　1.發射機功率、頻譜測量

　　發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。測量結果如圖3所示。

　　
圖 3 發射機功率、頻譜測量

　2.發射機頻率測量

　　發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進入頻率計的空腔中,當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,相應地,通過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。實驗時,發射機來的微波經定向耦合器衰減后連接到直讀式頻率計,旋轉其轉動關節,用萬用表檢測其檢波電流,當檢波電流值最大時,頻率計對應的頻率讀數即為微波頻率。發射機頻率測量如圖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中電場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有一個狹槽,金屬探針經狹槽伸入波導中。由于探針與電場平行,電場的變化在探針上感應出的電動勢經過晶體檢波器變成電流信號輸出。探針可沿波導移動,則輸出信號顯示出波導中電場沿傳播方向的變化。駐波比是饋線系統的一項重要指標,其符號用ρ表示,其定義為:

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

圖 4 發射機頻率測量圖 5 發射機饋線系統駐波比測量

　　4.射頻信號發射接收實驗

　　射頻信號的發射接收實驗是通過波導同軸轉換將發射機發出的微波經同軸電纜連接至一對喇叭天線,經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 射頻信號發射接收實驗

　　五、創新制作心得

　　利用廢舊設備的備品備件研制教學用儀器,是在市場經濟條件下高校實驗室建設的一條有益途徑。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經費短缺的矛盾,又是提高本科學員的創新能力的探索與實踐,符合創新型人才培養的精神。
挑選的兩名學員是大四的學生,暑期已經參加過了電子設計競賽,有一定的基本知識及經驗,有一定的實踐能力,但是要研制工作于微波波段的雷達發射機,由于有許多新特點是電子設計競賽中所沒有的,這對他們來講,還是有挑戰性的;并且在進行發射機的設計與制作過程中,通過與教員的共同討論、設計、制作,激發了學員的興趣與潛力,而學員的創新思維也激發了教員的靈感,使研制工作形成了師生互動的良性循環。

　　六、結束語

　　本實驗用雷達發射機可作為學員學習雷達發射機原理的教學儀器,理解雷達射頻信號的產生機理;可作為發射機頻率的測量、發射機功率的測量、發射機頻譜的測量、饋線系統駐波比的測量、雷達信號接收等實驗的配套儀器使用,提供射頻信號。
雷達發射機的研制需要電子線路、射頻工程、機械工程等多學科的知識,教研室教員到雷達工程專業學員中經多方了解,最終選調了兩名參加過電子設計競賽的平常學習成績優秀的學員,組成研制團隊。由教員負責指導,由學員負責設計、調試的具體工作。這種研制團隊結構可作為激發學員的創新精神、實踐能力的綜合平臺。
本實驗用雷達發射機的制作成功,可以在一定程度上替代幾十萬的雷達裝備作為教學平臺使用,節約了經費,緩解了儀器短缺的困難。同時,為探索為創新人才的培養、為實驗教育技術的探索、為實驗教學改革、為實驗資產管理等實驗室建設的各方面提供了初步探索。