专利名称：相控阵原理演示仪的制作方法
技术领域：
一种相控阵原理演示仪，其技术领域为一种物理测量和演示实验仪。
背景技术：
传统的雷达的测量原理是根据从被测物对雷达的反射波与波源处的发射时间差来判断被测目标的距离的。为了捕捉到目标位置，需要让雷达的天线作全方位的旋转扫描， 而通过机械方式让雷达向各个方向扫描一周需要耗费较长时间(通常需数秒到数十秒钟)， 因此扫描的速度和效率都较低。相控阵雷达又称作电子扫描雷达，是一种通过改变雷达波相位来改变波束方向的雷达，因为是以电子方式控制波束而非传统的机械转动天线面方式控制波束，故扫描速度很快。所以它更适于对付高机动目标。但因相控阵雷达扫描速度很快，通过相位调制来改变探测波束方向的原理也比较抽象，在教学上很难直观显示。此外，传统雷达和相控阵雷达所使用的探测波源都是电磁波中的微波，电磁波的传播速度是光速。若设被测物与雷达发射天线间的距离为L、探测信号波反射所需的时差为 At，则Δt=2L/c上式中c为光速，c=3X108m/s。如果把微波用到在短距离范围使用的演示实验中的话，因在一般的演示场合中，目标距离L通常小于10m，故反射波的时差At就会小于 10_7s，这么短的时差很难进行测量。所以在用于教学的短距离测量场合是不宜用微波作为演示实验的波源的，须改用其它的非电磁波的、低传播速度的机械波作为波源，以增加反射波的时差At，使之便于测量。
发明内容为了能使直观地演示相控阵雷达用改变发射头信号相位差的方法来控制探测波波束传播方向的相控阵原理，本实用新型提供了一个由一台控制主机和一块以点阵方式安装有超声发射头的超声波发射板及一个手持式超声信号探测器组成的演示实验系统。本实用新型选用低传播速度的超声波作为演示实验波源，并且用一块以点阵方式安装有超声信号发射头的超声波发射板来发射超声波。所述以点阵方式安装有超声发射头的超声波发射板上，超声发射头的外形可有长条形和圆形两种形态采用长条形的超声发射头时，各超声发射头按竖直方式安装，左右对齐，相互间的水平间距都是相同的；采用圆形的超声信号发射头时，可用一列圆形的超声发射头按竖直方式安装以代替一根长条形的超声发射头，(其使用功效与一根长条形的超声发射头等价)，沿竖直方向安装的各超声发射头间距都是相同的，并且都是上下左右对齐的，竖直各列超声发射头的水平间距也都是相同的，整块板上的点阵呈矩形排列。所述控制主机上有显示调制信号相位差的仪表和手动调节相位差的旋钮。所述控制主机和超声波发射板间可通过电缆进行信号传输。本实用新型解决其技术问题所采用的主要技术方案是
3[0012]由一台控制主机来对超声波发射板上在水平方向的各列超声发射头间的信号相位差进行调制，进行演示实验时，通过控制主机逐步改变和调制水平方向各列超声发射头间的信号相位差，使相邻两列超声发射头具有相同的信号相位差。此相位差通过控制主机上的仪表显示出来。又因各列超声发射头间距都是相同的，发射头发出的超声波在空间产生多波束干涉后将会在水平的某一个方向产生干涉最大，其效果相当于使整体的超声波波束沿此方向发生角度的偏转。而超声波波束的传播方向与调制信号相位差的关系则通过手持式的超声信号探测器来检验。本实用新型的有益效果是，能够通过直观和定量的演示把抽象的相控阵的工作原理反映出来，以利于教学的开展。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是相控阵原理演示仪的结构示意图。在
图1中1.超声波发射板 2.以点阵方式安装的长条形或圆形超声发射头 3.控制主机4.控制主机上的显示调制信号相位差的仪表5.手动调节相位差的旋钮 6.手持式超声信号探测器 7.控制主机和超声波发射板间的信号传输电缆在
图1中的虚线和箭头表示超声波拟偏转的方向，N直线为发射板平面的法线，θ为欲使超声波偏转的角度。图2是用相位调制的方法使超声波波束传播在水平方向发生偏转的原理图。在图2中2.以点阵方式安装的长条形或圆形超声发射头，A-A线段为发射板平面，N直线为发射板平面的法线，各列超声信号发射头间的水平距离相同，并设为a，图2 上的虚线箭头为超声波波束拟偏转的方向，虚线Ι、Π、ΙΙΙ、…分别为从各超声发射头发出的超声波，θ为欲使超声波偏转的角度。
具体实施方式
在
图1中，通过调节控制主机3上的手动调节相位差的旋钮5可调节到达超声信号超声发射板1上的各列超声信号发射头2的电信号相位差，使在水平方向的相邻两列的超声信号发射头2发出的超声波信号保持同样的相位差，从而可以根据不同的调制相位差让超声波的传播在水平方向偏转θ的角度。然后再用手持式超声信号探测器6来检验和研究超声波波束的偏转角度与控制主机3上的显示调制信号相位差的仪表4所显示的相位差的关系，当超声信号探测器6在某一角度位置探测到偏转后的超声波后，超声信号探测器6 即会发出相应的指示信号。在图2中，为说明用调节各列超声发射头2信号相位差来改变超声波方向的原理，仅以相距为a的两列超声发射头发出的超声波虚线I、II为例。设这两路超声波到达 θ方向目标时的波程差为Δ，则由图可知A^isine，若超声波的波长为λ，则根据物理学中的波动理论，这相邻两路波的相位差为Δ Φ=2 Jiasin θ/λ。若使图2中的不同超声发射头2所发出的超声波信号依次具有这同样的相位差，就可使各超声发射头2发出的超声波信号到达θ方向目标时具有相同的相位。这些同方向同频率同相位的波相互干涉后，就在 θ方向形成了干涉最大，其效果相当于使整体的超声波波束方向发生θ角度的偏转。改变各超声发射头2间电信号的相位差△ Φ就可改变超声波波束偏转的方向θ。为保证各列超声发射头2到达目标时的相位的一致性，超声波的发射板1上以点阵方式安装的超声发射头2，它们在水平方向的间距都应是相同的。同时为了避免发射超声波信号的混乱，若以一列圆形的超声发射头2按竖直方式安装以代替一根长条形的超声发射头2时，它们在竖直方向的间距也都是相同的，并且都是上下左右对齐的，整块板上的点阵呈矩形排列。
权利要求1.一种相控阵原理演示仪，其特征是该相控阵原理演示仪是一个由一台控制主机 (3)和一块以点阵方式安装有超声发射头的超声波发射板(1)及一个手持式超声信号探测器(6)组成的演示实验系统。
2.根据权利要求1所述的相控阵原理演示仪，其特征是所述以点阵方式安装有超声发射头的超声波发射板(1)上，超声发射头(2)的外形可有长条形和圆形两种形态采用长条形的超声发射头(2)时，各超声发射头(2)按竖直方式安装，左右对齐，相互间的水平间距都是相同的；采用圆形的超声发射头(2)时，可用一列圆形的超声发射头(2)按竖直方式安装以代替一根长条形的超声发射头(2)，沿竖直方向安装的各超声发射头(2)间距都是相同的，并且都是上下左右对齐的，竖直各列超声发射头(2)的水平间距也都是相同的，整块板上的点阵呈矩形排列。
3.根据权利要求1所述的相控阵原理演示仪，其特征是所述控制主机上有显示调制信号相位差的仪表(4)和手动调节相位差的旋钮(5)。
专利摘要一种相控阵原理演示仪，其技术领域为一种物理测量和演示实验仪。现有的相控阵雷达是一种用微波作为探测波源并且用电子扫描方式来控制波束方向进行目标探测的现代化雷达设备，其通过相位调制来控制探测波的波束方向的原理比较抽象，扫描的速度也非常快，不便于进行教学研究。本实用新型提供了一个由控制主机和一块以点阵方式安装有超声信号发射头的超声波发射板及一个手持式超声信号探测器组成的演示实验系统，通过控制主机逐步改变在水平方向各列超声发射头间的信号相位差，从而使整个发射板发出的超声波波束的传播在水平方向发生偏转。而超声波波束的偏转角度与调制信号相位差的关系则可通过手持式的超声信号探测器来检验。
文档编号G09B23/06GK202189491SQ20112018856
公开日2012年4月11日 申请日期2011年6月7日 优先权日2011年6月7日
发明者周红兵, 郑瑞铭, 钱仰德 申请人:南京恒立达光电有限公司