專(zhuān)利名稱(chēng)：相控陣原理演示儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種相控陣原理演示儀，其技術(shù)領(lǐng)域?yàn)橐环N物理測(cè)量和演示實(shí)驗(yàn)儀。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的雷達(dá)的測(cè)量原理是根據(jù)從被測(cè)物對(duì)雷達(dá)的反射波與波源處的發(fā)射時(shí)間差來(lái)判斷被測(cè)目標(biāo)的距離的。為了捕捉到目標(biāo)位置，需要讓雷達(dá)的天線作全方位的旋轉(zhuǎn)掃描， 而通過(guò)機(jī)械方式讓雷達(dá)向各個(gè)方向掃描一周需要耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間(通常需數(shù)秒到數(shù)十秒鐘)， 因此掃描的速度和效率都較低。相控陣?yán)走_(dá)又稱(chēng)作電子掃描雷達(dá)，是一種通過(guò)改變雷達(dá)波相位來(lái)改變波束方向的雷達(dá)，因?yàn)槭且噪娮臃绞娇刂撇ㄊ莻鹘y(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)天線面方式控制波束，故掃描速度很快。所以它更適于對(duì)付高機(jī)動(dòng)目標(biāo)。但因相控陣?yán)走_(dá)掃描速度很快，通過(guò)相位調(diào)制來(lái)改變探測(cè)波束方向的原理也比較抽象，在教學(xué)上很難直觀顯示。此外，傳統(tǒng)雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)所使用的探測(cè)波源都是電磁波中的微波，電磁波的傳播速度是光速。若設(shè)被測(cè)物與雷達(dá)發(fā)射天線間的距離為L(zhǎng)、探測(cè)信號(hào)波反射所需的時(shí)差為 At，則Δt=2L/c上式中c為光速，c=3X108m/s。如果把微波用到在短距離范圍使用的演示實(shí)驗(yàn)中的話，因在一般的演示場(chǎng)合中，目標(biāo)距離L通常小于10m，故反射波的時(shí)差A(yù)t就會(huì)小于 10_7s，這么短的時(shí)差很難進(jìn)行測(cè)量。所以在用于教學(xué)的短距離測(cè)量場(chǎng)合是不宜用微波作為演示實(shí)驗(yàn)的波源的，須改用其它的非電磁波的、低傳播速度的機(jī)械波作為波源，以增加反射波的時(shí)差A(yù)t，使之便于測(cè)量。
發(fā)明內(nèi)容為了能使直觀地演示相控陣?yán)走_(dá)用改變發(fā)射頭信號(hào)相位差的方法來(lái)控制探測(cè)波波束傳播方向的相控陣原理，本實(shí)用新型提供了一個(gè)由一臺(tái)控制主機(jī)和一塊以點(diǎn)陣方式安裝有超聲發(fā)射頭的超聲波發(fā)射板及一個(gè)手持式超聲信號(hào)探測(cè)器組成的演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本實(shí)用新型選用低傳播速度的超聲波作為演示實(shí)驗(yàn)波源，并且用一塊以點(diǎn)陣方式安裝有超聲信號(hào)發(fā)射頭的超聲波發(fā)射板來(lái)發(fā)射超聲波。所述以點(diǎn)陣方式安裝有超聲發(fā)射頭的超聲波發(fā)射板上，超聲發(fā)射頭的外形可有長(zhǎng)條形和圓形兩種形態(tài)采用長(zhǎng)條形的超聲發(fā)射頭時(shí)，各超聲發(fā)射頭按豎直方式安裝，左右對(duì)齊，相互間的水平間距都是相同的；采用圓形的超聲信號(hào)發(fā)射頭時(shí)，可用一列圓形的超聲發(fā)射頭按豎直方式安裝以代替一根長(zhǎng)條形的超聲發(fā)射頭，(其使用功效與一根長(zhǎng)條形的超聲發(fā)射頭等價(jià))，沿豎直方向安裝的各超聲發(fā)射頭間距都是相同的，并且都是上下左右對(duì)齊的，豎直各列超聲發(fā)射頭的水平間距也都是相同的，整塊板上的點(diǎn)陣呈矩形排列。所述控制主機(jī)上有顯示調(diào)制信號(hào)相位差的儀表和手動(dòng)調(diào)節(jié)相位差的旋鈕。所述控制主機(jī)和超聲波發(fā)射板間可通過(guò)電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的主要技術(shù)方案是
3[0012]由一臺(tái)控制主機(jī)來(lái)對(duì)超聲波發(fā)射板上在水平方向的各列超聲發(fā)射頭間的信號(hào)相位差進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)控制主機(jī)逐步改變和調(diào)制水平方向各列超聲發(fā)射頭間的信號(hào)相位差，使相鄰兩列超聲發(fā)射頭具有相同的信號(hào)相位差。此相位差通過(guò)控制主機(jī)上的儀表顯示出來(lái)。又因各列超聲發(fā)射頭間距都是相同的，發(fā)射頭發(fā)出的超聲波在空間產(chǎn)生多波束干涉后將會(huì)在水平的某一個(gè)方向產(chǎn)生干涉最大，其效果相當(dāng)于使整體的超聲波波束沿此方向發(fā)生角度的偏轉(zhuǎn)。而超聲波波束的傳播方向與調(diào)制信號(hào)相位差的關(guān)系則通過(guò)手持式的超聲信號(hào)探測(cè)器來(lái)檢驗(yàn)。本實(shí)用新型的有益效果是，能夠通過(guò)直觀和定量的演示把抽象的相控陣的工作原理反映出來(lái)，以利于教學(xué)的開(kāi)展。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1是相控陣原理演示儀的結(jié)構(gòu)示意圖。在
圖1中1.超聲波發(fā)射板 2.以點(diǎn)陣方式安裝的長(zhǎng)條形或圓形超聲發(fā)射頭 3.控制主機(jī)4.控制主機(jī)上的顯示調(diào)制信號(hào)相位差的儀表5.手動(dòng)調(diào)節(jié)相位差的旋鈕 6.手持式超聲信號(hào)探測(cè)器 7.控制主機(jī)和超聲波發(fā)射板間的信號(hào)傳輸電纜在
圖1中的虛線和箭頭表示超聲波擬偏轉(zhuǎn)的方向，N直線為發(fā)射板平面的法線，θ為欲使超聲波偏轉(zhuǎn)的角度。圖2是用相位調(diào)制的方法使超聲波波束傳播在水平方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原理圖。在圖2中2.以點(diǎn)陣方式安裝的長(zhǎng)條形或圓形超聲發(fā)射頭，A-A線段為發(fā)射板平面，N直線為發(fā)射板平面的法線，各列超聲信號(hào)發(fā)射頭間的水平距離相同，并設(shè)為a，圖2 上的虛線箭頭為超聲波波束擬偏轉(zhuǎn)的方向，虛線Ι、Π、ΙΙΙ、…分別為從各超聲發(fā)射頭發(fā)出的超聲波，θ為欲使超聲波偏轉(zhuǎn)的角度。
具體實(shí)施方式
在
圖1中，通過(guò)調(diào)節(jié)控制主機(jī)3上的手動(dòng)調(diào)節(jié)相位差的旋鈕5可調(diào)節(jié)到達(dá)超聲信號(hào)超聲發(fā)射板1上的各列超聲信號(hào)發(fā)射頭2的電信號(hào)相位差，使在水平方向的相鄰兩列的超聲信號(hào)發(fā)射頭2發(fā)出的超聲波信號(hào)保持同樣的相位差，從而可以根據(jù)不同的調(diào)制相位差讓超聲波的傳播在水平方向偏轉(zhuǎn)θ的角度。然后再用手持式超聲信號(hào)探測(cè)器6來(lái)檢驗(yàn)和研究超聲波波束的偏轉(zhuǎn)角度與控制主機(jī)3上的顯示調(diào)制信號(hào)相位差的儀表4所顯示的相位差的關(guān)系，當(dāng)超聲信號(hào)探測(cè)器6在某一角度位置探測(cè)到偏轉(zhuǎn)后的超聲波后，超聲信號(hào)探測(cè)器6 即會(huì)發(fā)出相應(yīng)的指示信號(hào)。在圖2中，為說(shuō)明用調(diào)節(jié)各列超聲發(fā)射頭2信號(hào)相位差來(lái)改變超聲波方向的原理，僅以相距為a的兩列超聲發(fā)射頭發(fā)出的超聲波虛線I、II為例。設(shè)這兩路超聲波到達(dá) θ方向目標(biāo)時(shí)的波程差為Δ，則由圖可知A^isine，若超聲波的波長(zhǎng)為λ，則根據(jù)物理學(xué)中的波動(dòng)理論，這相鄰兩路波的相位差為Δ Φ=2 Jiasin θ/λ。若使圖2中的不同超聲發(fā)射頭2所發(fā)出的超聲波信號(hào)依次具有這同樣的相位差，就可使各超聲發(fā)射頭2發(fā)出的超聲波信號(hào)到達(dá)θ方向目標(biāo)時(shí)具有相同的相位。這些同方向同頻率同相位的波相互干涉后，就在 θ方向形成了干涉最大，其效果相當(dāng)于使整體的超聲波波束方向發(fā)生θ角度的偏轉(zhuǎn)。改變各超聲發(fā)射頭2間電信號(hào)的相位差△ Φ就可改變超聲波波束偏轉(zhuǎn)的方向θ。為保證各列超聲發(fā)射頭2到達(dá)目標(biāo)時(shí)的相位的一致性，超聲波的發(fā)射板1上以點(diǎn)陣方式安裝的超聲發(fā)射頭2，它們?cè)谒椒较虻拈g距都應(yīng)是相同的。同時(shí)為了避免發(fā)射超聲波信號(hào)的混亂，若以一列圓形的超聲發(fā)射頭2按豎直方式安裝以代替一根長(zhǎng)條形的超聲發(fā)射頭2時(shí)，它們?cè)谪Q直方向的間距也都是相同的，并且都是上下左右對(duì)齊的，整塊板上的點(diǎn)陣呈矩形排列。
權(quán)利要求1.一種相控陣原理演示儀，其特征是該相控陣原理演示儀是一個(gè)由一臺(tái)控制主機(jī) (3)和一塊以點(diǎn)陣方式安裝有超聲發(fā)射頭的超聲波發(fā)射板(1)及一個(gè)手持式超聲信號(hào)探測(cè)器(6)組成的演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相控陣原理演示儀，其特征是所述以點(diǎn)陣方式安裝有超聲發(fā)射頭的超聲波發(fā)射板(1)上，超聲發(fā)射頭(2)的外形可有長(zhǎng)條形和圓形兩種形態(tài)采用長(zhǎng)條形的超聲發(fā)射頭(2)時(shí)，各超聲發(fā)射頭(2)按豎直方式安裝，左右對(duì)齊，相互間的水平間距都是相同的；采用圓形的超聲發(fā)射頭(2)時(shí)，可用一列圓形的超聲發(fā)射頭(2)按豎直方式安裝以代替一根長(zhǎng)條形的超聲發(fā)射頭(2)，沿豎直方向安裝的各超聲發(fā)射頭(2)間距都是相同的，并且都是上下左右對(duì)齊的，豎直各列超聲發(fā)射頭(2)的水平間距也都是相同的，整塊板上的點(diǎn)陣呈矩形排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相控陣原理演示儀，其特征是所述控制主機(jī)上有顯示調(diào)制信號(hào)相位差的儀表(4)和手動(dòng)調(diào)節(jié)相位差的旋鈕(5)。
專(zhuān)利摘要一種相控陣原理演示儀，其技術(shù)領(lǐng)域?yàn)橐环N物理測(cè)量和演示實(shí)驗(yàn)儀。現(xiàn)有的相控陣?yán)走_(dá)是一種用微波作為探測(cè)波源并且用電子掃描方式來(lái)控制波束方向進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)的現(xiàn)代化雷達(dá)設(shè)備，其通過(guò)相位調(diào)制來(lái)控制探測(cè)波的波束方向的原理比較抽象，掃描的速度也非?？?，不便于進(jìn)行教學(xué)研究。本實(shí)用新型提供了一個(gè)由控制主機(jī)和一塊以點(diǎn)陣方式安裝有超聲信號(hào)發(fā)射頭的超聲波發(fā)射板及一個(gè)手持式超聲信號(hào)探測(cè)器組成的演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)控制主機(jī)逐步改變?cè)谒椒较蚋髁谐暟l(fā)射頭間的信號(hào)相位差，從而使整個(gè)發(fā)射板發(fā)出的超聲波波束的傳播在水平方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。而超聲波波束的偏轉(zhuǎn)角度與調(diào)制信號(hào)相位差的關(guān)系則可通過(guò)手持式的超聲信號(hào)探測(cè)器來(lái)檢驗(yàn)。
文檔編號(hào)G09B23/06GK202189491SQ20112018856
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月7日
發(fā)明者周紅兵, 鄭瑞銘, 錢(qián)仰德 申請(qǐng)人:南京恒立達(dá)光電有限公司