Основы радиолокации

Самодельный рупорный излучатель

Для работы в диапазоне частот от 5,7 до 5,8 ГГц лучшим вариантом первичного излучателя является рупорный излучатель. Покупка такой антенны не является целесообразной из-за слишком высокой цены. В качечтве альтернативы в этом диапазоне (WLAN) можно использовать антенны других типов. Например, это может быть логопериодическая антенна, с рефлектором или без него. При этом следует учитывать, что коэффициент усиления такой антенны будет меньше, чем рупорного излучателя.

Однако, приложив немного труда, рупорную антенну можно сделать своими силами. Для этого понадобятся некоторые инструменты общего применения (тиски, паяльник, промышленный фен или газовая горелка, ножовка по металлу, набор напильников) и два-три дня кропотливой работы. Используемые материалы: лист латуни, обрезанный кусок волновода, проволока (подойдет даже та, которой подвязывают цветы). Если заготовки волновода у вас нет, то ее тоже можно изготовить самостоятельно, однако это потребует дополнительных трудозатрат. В результате вы должны будете получить антенну, которая будет выглядеть более профессионально, чем так называемые «антенны», которые делают из пустых консервных банок.

Расчет

Прежде всего вам следует сделать эскиз, чтобы лучше представлять как должна будет выглядеть ваша рупорная антенна (например, Рисунок 2). Я мог бы также предложить эскиз своей антенны, но это всегда зависит от того, волновод какого типа и размера вы найдете или изготовите или приобретете в интернет-магазине (например, 50 × 25 × 2 мм).

Исходным является значение длины волны. В нашем случае (частота 5,8 ГГц) длина волны в свободном пространстве будет равна около 51 мм. Однако будьте внимательны! Внутри волновода этой же частоте будет соответствовать несколько другая длина волны. Чтобы не перепутать их, будем обозначать длину волны в свободном пространстве символом  λ₀, а длину волны в волноводе – символом  λ_H. Рассчетное значение длины волны в волноводе зависит от размеров волновода. Я использовал волновод WR 187, для которого частоте 5,875 ГГц (наивысшей частоте, используемой в беспроводных сетях) соответствует длина волны  λ_H= 60,3 мм..

Я выбирал размеры рупорного излучателя, исходя из того принципа, что его длина должна быть заметно больше длины волны. В моем случае она оказалась достаточно близка к значению длины волны, однако указанный выше принцип тем не менее выполнялся. Размер апертуры я выбрал таким образом, чтобы ее размеры a и b были в два раза больше размеров соответствующих стенок волноводной секции. Все приведенные значения не являются оптимальными и их следует подбирать индивидуально.

Aufbau

Я выбрал длину волноводной секции, равную ½ λ_H. Для волновода используемого типа это составило 30,1 мм.

Из листа меди были вырезаны две пары одинаковых равнобедренных трапеций, которые стали стенками рупорного излучателя (Рисунок 3). Длина рупорного излучателя должна быть больше длины волны, однако не слишком большой, иначе монтаж облучателя перед параболическим отражателем становиться более трудоемким. В моем случае я выбрал длину 60 мм, поскольку имеющаяся в моем распоряжении полоса имела именно такую длину. Стороны раскрыва рупора (большие основания трапеций) в два раза больше соответствующих сторон волноводной секции. Со смыкающихся крев следовало бы снять фаску… но это слишком много работы. Для более длинной стороны a я просто использовал внешний контур волновода, а для более короткой стороны b – внутренний контур.

Если вы умеете работать с твердым припоем, то следует использовать именно его, если же не умеете – используйте мягкий припой. Паять такие большие поверхности, используя мягкий припой, достаточно трудно. Мощность используемых для этого паяльников всегда недостаточна для того, чтобы как следует прогреть весь лист, и в то же время не вызвать его локального деформирования. Поэтому при таком способе пайки для прогрева спаиваемых листов применяют промышленный фен или газовую горелку, а паяльник используют после этого локально.

Все поверхности и кромки, подлежащие соединению пайкой, заранее облуживаются. Пока припой не застыл, следует убрать его излишки ветошью. По краям трапеций просверливаются отверстия диаметром около 1 мм. Через них продевается проволока, скрепляющая всю конструкцию перед пайкой. Отверстия следует просверлить после облуживания, чтобы не пришлось делать эту работу дважды. Места для отверстий следует выбирать обдуманно, поскольку на длинной стороне трапеций проволока может препятствовать их соединению. Медная проволока для связки конструкции не подходит, поскольку она может расширяться при нагреве и не обеспечивает требуемую фиксацию. Рекомендованная ранее обычная проволока для садовых работ сделана из стали и обеспечивает надежную фиксацию спаиваемых пластин.

Рекомендуется паять конструкцию в два этапа: сперва спаять трапеции, а затем припаять получившийся рупор к волноводной секции. На первом этапе я использовал вспомогательное приспособление в виде алюминиевого листа с прорезанным в нем прямоугольным окном. Благодаря этому обеспечивается перпендикулярность сопрягаемых сторон трапеций. После остывания спаянного из трапеций раскрыва рупора его можно подпилить для точной подгонки к волноводной секции. (Не забывайте после этого облудить те кромки, которые подпиливались). Перед пайкой следует обезжирить волноводную секцию.

После окончания пайки, то есть после окончательной сборки конструкции рупорного излучателя, скрепляющую проволоку удаляют при помощи плоскогубцев.

Питание рупорного излучателя

В рассматриваемом примере был выбран самый простой вариант запитки путем подачи энергии при помощи коаксиального кабеля. На Рисунке 6 размер с равен толщине стенки волноводной секции. Часть SMA-разъема с паяным соединением для кабеля RG 402 была отпилена так, что осталось только 2 мм на толщину стенки волновода. После этого к разъему был припаян волноводный кабель. Затем внешний проводник кабеля, выступающий из разъема, был удален. В волноводе просверлено отверстие нужного диаметра, чтобы в него прошел SMA-разъем: размер d на рисунке. В нашем случае это 4,6 мм.

Отверстие должно быть точно посредине волновода на расстоянии около ¼ λ_H (длина волны в волноводе) от задней стенки волноводной секции. Длина выступающей части внутреннего проводника равна ¼ λ₀ (длина волны в свободном пространстве). Теоретически следует учитывать коэффициент укорочения, зависящий от толщины внутреннего проводника. В результате внутренний проводник выступает в волновод на 12 мм. Внешний проводник питающего кабеля должен быть заподлицо с внутренней поверхностью волновода.

Окончательная сборка

Задняя стенка изготавливается по размеру волноводной секции. Стенки волновода слегка обрабатываются напильником для того, чтобы задняя стенка не провалилась во время пайки. В задней стенке устанавливаются два винта М5 с потайными головками, обеспечивающие монтаж рупорного излучателя в дальнейшем. Снаружи эти винты удерживаются двумя рифлеными пластинами. С внутренней стороны винты припаиваются к задней стенке и шлифуются. Пазы под винты должны быть полностью заполнены припоем.

Теперь из отдельных частей собираем рупорный излучатель. Убедитесь, что его элементы не перекошены друг относительно друга. Пайку лучше всего производить на огнеупорной поверхности (например, керамогранит или крупная керамическая плитка для пола). Нагреваем скрепленные детали промышленным феном и спаиваем их.

Наконец, после остывания конструкции, задняя стенка устанавливается на свое место, вдавливается и запаивается. Поскольку спаиваемые поверхности уже покрыты оловом это не должно составить трудностей.

Теперь обрезаем соединительные провода и удаляем их остатки. Оставшиеся после этого отверстия имеют диаметр, меньший одной десятой длины волны, и поэтому электрически непроницаемы. Их можно просто зашпаклевать. Места пайки поверхностей зачищаются паяльником и полируются.

Последний шаг – припаять разъем с четвертьволновым зондом. Однако теперь паяльник используется без прогрева при помощи дополнительных устройств. Поскольку фиксирующая проволока уже убрана, такой прогрев может привести к деформации или разрушению конструкции.

Окраска серой краской (например, из баллончика) придаст нашему рупорному облучателю вид профессионального изготовления.

Использование данного частотного диапазона хорошо тем, что сделанная своими руками рупорная антенна может быть легко проверена при помощи компьютера, подключаемого к беспроводной локальной сети (WLAN). При использовании рупорной антенны вместо обычной стержневой антенны наблюдается направленность излучения и увеличение дальности действия в направлении максимального излучения.