实验用雷达发射机的研制及教学实践的探索

一、引言

　　随着高校的扩招和设备仪器市场价格的高速上涨,实验室内实验设备仪器短缺成了各高校普遍存在的问题。废旧设备的挖潜成为节约开支、增加实验仪器的一条有效途径。雷达发射机是雷达教学中的重要部分,但是配备雷达实装受经费、场地等许多条件的限制。开发一个简单实用的实验用雷达发射机有重要意义。

　　随着部队装备的升级换代,以及实验室仪器的自然淘汰,各实验室内都有大量的废旧装备。大型装备内部的部分元器件还是比较好的,还是有利用价值的,比如磁控管、闸流管等,虽然性能参数有所下降,但都不影响使用,而对于波导一类的高频器件,由于保管良好,性能参数都没有改变。以往这些装备(包括成批的备附件)都是按编制报废的。这些待报废的废旧装备和备附件为我们自主开发仪器提供了物质基础,我们就利用这些备品、备件,研制了实验用雷达发射机。现以所研制的实验用雷达发射机为例,介绍一下我们在实验教学方面所做的探索。

　　二、实验用发射机的系统设计

　　实验用发射机的研制经历了选调优秀学员组成研发团队、图纸设计、组装调试和生产样机几个阶段。
根据备品备件情况,所设计的雷达发射机如图1所示。包含了供电控制模块、电源模块、定时器模块、调制器模块、磁控管振荡器模块,以及电流表和电压表等指示仪表。


图 1 发射机原理图

　三、研制生产及调试

　　1.组装调试
根据所设计的原理图,从备品备件中寻找各种备件,首先用万用表等简单仪器对各种变压器、闸流管和电子管及磁控管的灯丝、整流二极管、电阻、电容等进行了初步筛选。然后利用一块三合板作底板,按原理图进行了组装。
组装时充分考虑了电磁兼容问题,主要是射频线路与中频线路及中频电源的互相隔离情况。组装后经多次调试,终于成功。
2.生产样机及性能测量
在三合板上调试好以后,购买了标准机箱,进行组装。由于空间位置、走线分布等问题,在组装过程中实际上又经历了一遍调试过程。组装成功后,使学员对雷达发射机的原理有了更深切的了解,同时对于电子线路、射频工程、机械工程等多种学科知识都得到了理论上的升华和实践技能的提高。组装成功的样机如图2所示。
微波的频率高,其波长与电路系统的尺寸可相比拟,甚至更短,这时传输线上的电压、电流既是时间的函数,又是位置的函数,使得电磁场的能分布于整个微波电路而形成“分布参数”,导致微波的传输与普通无线电波波段完全不同。因此微波系统的测量参量是功率、波长和驻波参量,这是和低频电路完全不同的。对所生产的发射机样机的性能参数的测量,在后面介绍。

　　
图 2 发射机组装样机

　　四、在实践教学中的应用

　　雷达发射机配套其他实验时,同时也是对雷达发射机本身的性能参数进行测量,是对发射机性能的一次检验。
雷达发射机的制作成功,不仅是解决了射频信号的产生这个实验所需仪器的购买问题,对于要针对发射机做的其他实验,由于在实装雷达上又难以做到的各种实验,用本实验用发射机都可以很好解决。因为对发射机的各种参数测量,一般需要连接各种波导件,这种刚性连接在许多情况下在实装雷达发射机上都比较困难,况且对于没有任何经验的新学员来说在实装雷达上做微波测量实验,对人身和对设备都有一定的危险性。但对于一台独立的发射机来说,要对其进行微波测量就不受场地空间的限制、不受连接波导的限制,也避免使学员面对几百万的装备所产生的一种畏惧心理和神秘心理所可能导致的各种误操作。下面介绍一下所研制的发射机的性能参数测量,以及为其他实验作配套时的学员实操结果。

　　1.发射机功率、频谱测量

　　发射机功率的测量方法有功率计直接测量和频谱分析仪综合测量。不管那种方法测量首先必须考虑到测量仪器所能接受的功率范围。本实验用频谱分析仪综合测量法来测量样机的功率和频谱。由于频谱分析仪只能接受30dBmW的功率,因此用衰减度为28.7dB的定向耦合器连接精密衰减器对微波多级衰减后进入频谱分析仪,实测其功率为xxW、频谱宽度为xxMHz。测量结果如图3所示。

　　
图 3 发射机功率、频谱测量

　2.发射机频率测量

　　发射机频率的测量也可以使用频谱分析仪。本实验采用的是谐振腔式直读式频率计测量,其原理是电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中,当电磁波的频率满足空腔的谐振条件时,被吸收的能量为最大,相应地,通过的电磁波信号强度将减弱,输出辐度将出现明显的凹陷,从外壳表面上可直接读出输入微波的频率。实验时,发射机来的微波经定向耦合器衰减后连接到直读式频率计,旋转其转动关节,用万用表检测其检波电流,当检波电流值最大时,频率计对应的频率读数即为微波频率。发射机频率测量如图4所示。

3.馈线驻波比测量

　　驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器。其结构是在波导中的宽边中央开有一个狭槽,金属探针经狭槽伸入波导中。由于探针与电场平行,电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出。探针可沿波导移动,则输出信号显示出波导中电场沿传播方向的变化。驻波比是馈线系统的一项重要指标,其符号用ρ表示,其定义为:

其中:Emax为波腹点电场E的大小,Emin波节点电场E的大小。
测量驻波比如图5所示。

图 4 发射机频率测量图 5 发射机馈线系统驻波比测量

　　4.射频信号发射接收实验

　　射频信号的发射接收实验是通过波导同轴转换将发射机发出的微波经同轴电缆连接至一对喇叭天线,经接收后用频谱分析仪测量其频率与功率。实测效果如图6所示。



图 6 射频信号发射接收实验

　　五、创新制作心得

　　利用废旧设备的备品备件研制教学用仪器,是在市场经济条件下高校实验室建设的一条有益途径。所制作的仪器具有贴近自身实验室特色、简单实用的特点,既缓解了实验室建设经费短缺的矛盾,又是提高本科学员的创新能力的探索与实践,符合创新型人才培养的精神。
挑选的两名学员是大四的学生,暑期已经参加过了电子设计竞赛,有一定的基本知识及经验,有一定的实践能力,但是要研制工作于微波波段的雷达发射机,由于有许多新特点是电子设计竞赛中所没有的,这对他们来讲,还是有挑战性的;并且在进行发射机的设计与制作过程中,通过与教员的共同讨论、设计、制作,激发了学员的兴趣与潜力,而学员的创新思维也激发了教员的灵感,使研制工作形成了师生互动的良性循环。

　　六、结束语

　　本实验用雷达发射机可作为学员学习雷达发射机原理的教学仪器,理解雷达射频信号的产生机理;可作为发射机频率的测量、发射机功率的测量、发射机频谱的测量、馈线系统驻波比的测量、雷达信号接收等实验的配套仪器使用,提供射频信号。
雷达发射机的研制需要电子线路、射频工程、机械工程等多学科的知识,教研室教员到雷达工程专业学员中经多方了解,最终选调了两名参加过电子设计竞赛的平常学习成绩优秀的学员,组成研制团队。由教员负责指导,由学员负责设计、调试的具体工作。这种研制团队结构可作为激发学员的创新精神、实践能力的综合平台。
本实验用雷达发射机的制作成功,可以在一定程度上替代几十万的雷达装备作为教学平台使用,节约了经费,缓解了仪器短缺的困难。同时,为探索为创新人才的培养、为实验教育技术的探索、为实验教学改革、为实验资产管理等实验室建设的各方面提供了初步探索。