1. Постановка задачи

Антенно-фидерные устройства изучаются всеми студентами направлений «Радиотехника» и «Телекоммуникации» и составляет значимую часть в подготовке специалиста соответствующего профиля. Практические и лабораторные занятия являются важной составляющей процесса обучения, от которых зависит качество и полнота приобретаемых студентом знаний. Лабораторный практикум по антеннам ввиду специфики измерений электромагнитных полей требует значительных затрат, а экспериментальные возможности лабораторий ограничены. Кроме того, в связи с интенсивным развитием вычислительной техники и появлением сравнительно доступного современного исследовательского оборудования, представляется возможным больше времени уделять рассмотрению результатов исследований в виде готовых диаграмм, графиков и данных.

В данной работе предлагается расширить тематику и возможности лабораторий за счет использования специальных программ моделирования лабораторных установок - виртуальных приборов (ВП) и усовершенствовать измерительное оборудование использованием новых технологий.

Соответственно предложениям, данная работа ставит две цели:

■ выявление и изучение основных закономерностей теории линейных антенн в наглядном для обучаемых виде путем моделирования указанных закономерностей в программном пакете LabVIEW и в натурном эксперименте.

■ практическая реализация комплекса лабораторных установок в учебной лаборатории с применением модуля ЦАП-АЦП корпорации National Instruments и среды LabVIEW.

2. Описание решения

Согласно принципа эквивалентного линейного раскрыва, направленные свойства плоского раскрыва произвольной конфигурации в любой плоскости, ортогональной раскрыву, определяются соответствующей линейной антенной, длина которой равна проекции контура раскрыва на секущую плоскость с эквивалентным распределение амплитуд источников возбуждения А_ЭКВ вида (1) (рис.1).

Следовательно, ДН плоского раскрыва в любой ортогональной ему плоскости зависит как от амплитудного распределения А(х,у) по плоскому раскрыву, так и от его формы. Этот принцип может быть использован при моделирование линейных антенн с произвольным амплитудным распределением.

Рис.1

Этот метод реализован в учебном приборе по антеннам, разработанном на кафедре РТС КГТУ им.А.Н.Туполева. Согласно структурной схеме (рис. 2), прибор состоит из двух основных блоков - излучателя и анализатора. Состав излучателя: высокочастотный генератор 1, прямоугольный волновод 2, рупор 3, электромагнитная линза 4, устройство крепления и смены масок 5, сменные маски 6, поворотная стойка с отсчетной шкалой угла поворота. Состав анализатора: приемный рупор 8, детектор 9, индикатор 10, поворотный держатель приемного рупора 11.

Рис.2

Рассмотрим принцип работы устройства: Высокочастот ный генератор 1 возбуждает в прямоугольно м волноводе 2 распространяя электромагнитную волну. Рупор 3 и электромагнитная линза 4 линза 4 формируют на теневой поверхности линзы синфазное электромагнитное поле интенсивностью Е(х,у), имеющее в рупоре прямоугольного сечения равномерное распределение поля в плоскости Е и косинусное распределение в плоскости Н, вид которого неизменен. Изменения распределения поля в апертуре при демонстрации свойств антенн того или иного типа обеспечивают сменные маски 6, устанавливаемые в устройство крепления масок 5 перед раскрывом рупора. Измерение диаграмм направленности для смоделированного амплитудно-фазового распределения осуществляется определением показаний индикатора 10 при различных углах поворота излучателя на поворотной стойке 7.

Для демонстрации влияния размеров антенны и амплитудного распределения поля на диаграмму направленности необходимо обеспечить формирование различных амплитудных распределений в плоскости Е, без использования масок указанное распределение равномерно.

На рис. 3 изображена маска, которая представляет собой металлическую пластину с отверстием определенной формы. Размер пластины соответствует раскрыву рупора 3 и составляет 2а×2b. Форма отверстия определяется электрическим размером L_x, соответствующим электрическому размеру моделируемой антенны, и профилем у^~(х), который связан с моделируемым амплитудным распределением Е(х) соотношением

Рис. 3

Таким образом, используя маски с различными по форме отверстиями, можно осуществить моделирование излучения непрерывных линейных антенн с различными размерами и амплитудными распределениями.

Рис.4

Демонстрация влияния фазового распределения на диаграмму направленности антенн осуществляется при помощи сменных масок в виде металлических пластин 1 с отверстиями, на которых установлены диэлектрические накладки 2 переменной толщины (рис. 4). При этом электромагнитная волна, проходя через различные участки накладки, приобретает фазовые сдвиги различной величины. Толщина и профиль накладки определяется моделируемым маской фазовым распределением ψ(х)

При помощи масок в виде металлических пластин с несколькими отверстиями моделируется излучение антенных решеток. В этом случае сменные маски представляют собой набор металлических пластин 1, в каждой из которых имеется несколько отверстий прямоугольной формы, расположенных по оси х (рис. 5). Число таких отверстий N и расстояние между ними соответствует числу излучателей и расстоянию между ними в моделируемой антенной решетке. Выбирая размеры каждого отверстия в маске можно управлять формой диаграммы направленности и амплитудой возбуждения излучателей моделируемой антенной решетки. Размеры отверстия 2∆х_m определяет диаграмму направленности (ДН) отдельного m-го излучателя.

Размер отверстия 2∆y_m определяет амплитуду возбуждения m-го излучателя.

Рис. 5

Таким образом,устанавливая в отверстия устройства смены масок образцы с различной формой раскрыва, фазовым распределением поля, разным числом и положением излучателей можно достаточно полно продемонстрировать в реальном эксперименте свойства линейных антенн и антенных решеток.

Реальный эксперимент в учебной лаборатории предваряет работа с виртуальными приборами «Линейные антенны» и «Антенные решетки», в основе которых лежат те же принципы и закономерности, что и в учебном приборе по антеннам, рассмотренном выше. Сами виртуальные приборы (ВП) обладают более широкими возможностями.

Назначение и основные характеристики разработки.

ВП «Линейные антенны» позволяет:

• в зависимости от выбранного амплитудного распределения (АР) и фазового распределения (ФР) в раскрыве строить диаграмму направленности (ДН)антенны; ^ -

• строить графики используемых АР и ФР;

• получать вид маски и диэлектрической накладки, которые необходимо было бы применить на учебном приборе по антеннам для получения требуемых АР, ФР и ДН;

• при помощи встроенных курсоров проводить измерения и анализ полученных графиков путем определения координат интересующих точек;

• наблюдать изменения характеристик антенны в зависимости от изменения доступных для регулировки параметров.

На лицевой панели ВП (рис.6) расположены регуляторы, обеспечивающие выбор амплитудного и фазового распределения и их параметров. На экранах лицевой панели ВП отображаются соответственно:

1. ДН антенны, позволяющая оценить зависимость ДН от выбранного амплитудного и фазового распределения.

2. Моделирующая полученную ДН маска-накладка на источник плоских волн (рис. 7);

3. Профиль диэлектрика, создающего заданные фазовые искажения (рис. 8).

Рис. 6. Лицевая панель ВП «Линейные антенны»

Рис. 7. Моделирующая маска

4. График амплитудного распределения поля;

Рис.8. Диэлектрическая накладка

5. График фазового распределения.

Рис. 9. Лицевая панель ВП «Антенные решетки»

В ВП заложены все основные виды амплитудных и фазовых распределений, что полностью покрывает требования учебных задач.

ВП «Антенные решетки» позволяет моделировать: •ДН антенной решетки;

Рис. 10. График диаграммы направленности антенной решетки.

Вид и размеры моделирующей решетку маски. Лицевая панель ВП представлена на рис. 9.

На вкладке «Диаграмма направленности решетки» выводится на экран график ДН (рис. 10.) решетки.

Система определения параметров антенных систем в учебной лаборатории включает в себя четыре одновременно работающие установки, размещенные в одном помещении. Возможность их одновременной работы обеспечивается применением системы временного разделения сигналов.

Каждая установка включает в себя, модулируемый генератор на диоде Ганна (ГГ), исследуемую антенну, закрепленную на штативе, оснащенном резистивным датчиком угла поворота (ДУ) и управляемый избирательный усилитель. Генераторы и усилители всех установок подключаются к модулю сопряжения, который обеспечивает синхронную работу элементов системы и управление режимами ее работы (рис.11).

Для анализа получаемой информации и управления системой используется сервер с установленной на нем платой АЦП NI-6034E, работающей под управлением LabVIEW. Данные с усилителей и датчиков угла поступают на входы платы АЦП в аналоговом виде непосредственно с усилителя. Модуль сопряжения лишь осуществляет согласование и защиту входов АЦП. Однако, большой динамический диапазон сигналов не позволяет снимать диаграммы направленности антенн на одном коэффициенте усиления. Для преодоления указанного ограничения в усилителе введена ступенчатая регулировка усиления в 10, 100 и 1000 раз.

Информация о выбранном коэффициенте усиления передается с усилителя в модуль сопряжения, где обрабатывается процессором, и по команде выдается на цифровые входы платы АЦП.

Также через плату АЦП осуществляется включение и выключение генераторов и усилителей установок. При задействовании соответствующей установки, на модуль сопряжения выдается код на ее включение, получив который процессор модуля включает питание генератора и выдает синхропоследовательности для работы генератора и усилителя. Питание генераторов и модуля сопряжения осуществляется от сервера системы.

3. Используемое оборудование и ПО

Лабораторный практикум по антеннам реализован на персональных компьютерах с использованием лицензионного программного обеспечения LabVIEW 7.1 фирмы National Instruments.

4. Внедрение и развитие решения,

В учебной компьютерном классе проводятся лабораторные практикумы для студентов направлений «Радиотехника» и «Телекоммуникации». Предполагается переход к дистанционному выполнению ряда лабораторных работ.

Список литературы

1. Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. LabVIEW для радиоинженера, М., ДМК-пресс, 2007.

2. Линдваль В.Р., Щербаков Г.И., Седельников Ю.Е. Учебный прибор для демонстрации свойств антенн с плоским раскрывом, Патент РФ №2079938, 20.05.97 Бюл. №14

3. Линдваль В.Р., Щербаков Г.И., Седельников Ю.Е. Учебный прибор для демонстрации свойств линейных антенн, Патент РФ №2080701, 27.05.97 Бюл. №15

4. Линдваль В.Р., Щербаков Г.И., Седельников Ю.Е Учебная установка для изучения линейных антенных решеток, Патент РФ №2080702, 27.05.97 Бюл. №15

5. Линдваль В.Р., Щербаков Г.И., Седельников Ю.Е, Лаврушев В.Н. Моделирование основных зависимостей теории линейной антенны, "Вестник КГТУ", Казань, КГТУ, №2, 1998.

....................................................................................................