Основи радіолокації

Саморобний рупорний випромінювач

Для роботи в діапазоні частот від 5,7 до 5,8 ГГц кращим варіантом первинного випромінювача є рупорний випромінювач. Купівля такої антени не є доцільною через занадто високу ціну. У якості альтернативи в цьому діапазоні (WLAN) можливо використовувати антени інших типів. Наприклад, це може бути логоперіодична антена, з рефлектором або без нього. При цьому слід враховувати, що коефіцієнт підсилювання такої антени буде меншим, ніж у рупорного випромінювача.

Однак, доклавши трохи зусиль, рупорну антену можливо зробити власними силами. Для цього знадобляться деякі інструменти загального застосування (тиски, паяльник, промисловий фен або газова горілка, ножівка по металу, набір напилків) та два-три дні кропіткої праці. Використовувані матеріали: лист латуні, обрізаний кусок хвилеводу, проволока (підійде навіть та, якою підв’язують квіти). Якщо заготовки хвилеводу у вас немає, то її також можливо виготовити самостійно, однак це потребуватиме додаткових працевитрат. В результаті ви маєте отримати антену, яка буде виглядати більш професійно, ніж так звані „антени“, які роблять з пустих консервних банок.

Розрахунок

Перш за все вам слід зробити ескіз, щоби краще уявляти як має виглядати ваша рупорна антена (наприклад, Рисунок 2). Я міг би також запропонувати ескіз своєї антени, але це завжди залежить від того, хвилевод якого типу та розміру ви знайдете або виготовите або придбаєте в інтернет-магазині (наприклад, 50 × 25 × 2 мм).

Вихідним є значення довжини хвилі. В нашому випадку (частота 5,8 ГГц) довжина хвилі у вільному просторі буде дорівнювати близько 51 мм. Однак будьте уважні! Всередині хвилеводу цій самій частоті буде відповідати дещо інша довжина хвилі. Щоби не переплутати їх, будемо позначати довжину хвилі у вільному просторі символом  λ₀, а довжину хвилі у хвилеводі – символом  λ_H. Розрахункове значення довжини хвилі у хвилеводі залежить від розмірів хвилеводу. Я використовував хвилевод WR 187, для якого частоті 5,875 ГГц (найвищій частоті, використовуваній у бездротових мережах) відповідає довжина хвилі  λ_H= 60,3 мм..

Я вибирав розміри рупорного випромінювача, виходячи з того принципу, що його довжина має бути помітно більшою за довжину хвилі. В моєму випадку вона виявилася достатньо близькою до значення довжини хвилі, однак вказаний вище принцип тим не менше виконувався. Розмір апертури я обрав таким, щоби її розміри a та b були в два рази більшими за розміри відповідних стінок хвилеводної секції. Всі наведені значення не є оптимальними і їх слід підбирати індивідуально.

Збирання рупору

Я обрав довжину хвилеводної секції, рівну ½ λ_H. Для хвилеводу використовуваного типу це склало 30,1 мм.

З листу міді були вирізані дві пари однакових рівнобедрених трапецій, які стали стінками рупорного випромінювача (Рисунок 3). Довжина рупорного випромінювача має бути більше довжини хвилі, однак не дуже великою, інакше монтаж опромінювача перед параболічним відбивачем стане більш трудомістким. В моєму випадку я обрав довжину 60 мм, оскільки наявна в моєму розпорядженні смуга мала саме таку довжину. Сторони розкриву рупору (більші основи трапецій) в два рази більші за відповідні сторони хвилеводної секції. З країв, які змикаються, слід було б зняти фаску… але це занадто багато роботи. Для довшої сторони a я просто використовував зовнішній контур хвилеводу, a для коротшої сторони b - внутрішній контур.

Якщо ви вмієте працювати з твердим припоєм, то варто використовувати саме його, якщо не вмієте – використовуйте м’який припій. Паяти такі великі поверхні, використовуючи м’який припій, достатньо важко. Потужність використовуваних для цього паяльників завжди недостатня для того, щоби як слід прогріти весь лист, і в той же час не спричинити його локального деформування. Тому при такому способі паяння для прогрівання листів, які спаюються, застосовують промисловий фен або газову горілку, а паяльник використовують після цього локально.

Всі поверхні та кромки, що підлягають з’єднанню паянням, заздалегідь облужуються. Поки припій не застиг, слід прибрати його надлишки ганчір’ям. По краям трапецій просвердлюються отвори діаметром близько 1 мм. Через них продівається проволока, яка скріпляє всю конструкцію перед паянням. Отвори слід просвердлювати після облужування, щоби не довелось робити цю роботу двічі. Місця для отворів слід вибирати обдумано, оскільки на довгій стороні трапецій проволока може перешкоджати їх з’єднанню. Мідна проволока для зв’язування конструкції не підходить, оскільки вона може розширятися під час нагрівання і не забезпечує потрібну фіксацію. Рекомендована раніше звичайна проволока для садових робіт зроблена з стали і забезпечує надійну фіксацію пластин, які спаюються.

Рекомендується паяти конструкцію в два етапи: спочатку спаяти трапеції, а потім припаяти рупор, що вийшов, до хвилеводної секції. На першому етапі я використовував допоміжне пристосування у вигляді алюмінієвого листа з прорізаним в ньому прямокутнім вікном. Завдяки цьому забезпечується перпендикулярність сторін трапецій, які сполучаються. Після остигання спаяного з трапецій розкриву рупору його можливо підпилити для точної підгонки до хвилеводної секції. (Не забувайте після цього облудити ті кромки, які підпилювались). Перед паянням слід знежирити хвилеводну секцію.

Після закінчення паяння, тобто після остаточного збирання конструкції рупорного випромінювача, кріпильну проволоку видаляють за допомогою плоскогубців.

Живлення рупорного випромінювача

У розгляданому прикладі був вибраний найпростіший варіант живлення шляхом подачі енергії за допомогою коаксіального кабелю. На Рисунку 6 розмір с дорівнює товщині стінки хвилеводної секції. Частина SMA-роз’єму з паяним з’єднанням для кабелю RG 402 була відпиляна так, що залишилось лише 2 мм на товщину стінки хвилеводу. Після цього до роз’єму був припаяний хвилеводний кабель. Потім зовнішній провідник кабелю, що виступав з роз’єму, був видалений. У хвилеводі просвердлено отвір потрібного діаметру, щоби в нього пройшов SMA-роз’єм: розмір d на рисунку. В нашому випадку це 4,6 мм.

Отвір має бути точно посередині хвилеводу на відстані близько ¼ λ_H (довжина хвилі у хвилеводі) від задньої стінки хвилеводної секції. Довжина виступаючої частини внутрішнього провідника дорівнює ¼ λ₀ (довжина хвилі у вільному просторі). Теоретично слід враховувати коефіцієнт укорочення, який залежить від товщини внутрішнього провідника. В результаті внутрішній провідник виступає в хвилевод на 12 мм. Зовнішній провідник кабелю живлення має буть урівень з внутрішньою поверхнею хвилеводу.

Остаточне збирання

Задня стінка виготовляється по розміру хвилеводної секції. Стінки хвилеводу злегка обробляються напилком для того, щоби задня стінка не провалилась під час паяння. В задній стінці встановлюються два гвинти М5 з потайними голівками, які забезпечують монтаж рупорного випромінювача в подальшому. Ззовні ці гвинти утримуються двома рифленими пластинами. Із внутрішнього боку гвинти припаюються до задньої стінки та шліфуються. Пази під гвинти мають бути повністю заповнені припоєм.

Тепер з окремих частин збираємо рупорний випромінювач. Переконайтеся, що його елементи не перекошені один відносно одного. Паяння краще за все виконувати на вогнетривкій поверхні (наприклад, керамограніт або крупна керамічна плитка для підлоги). Нагріваємо скріплені деталі промисловим феном та спаюємо їх.

Насамкінець, після остигання конструкції, задня стінка встановлюється на своє місце, вдавлюється та запаюється. Оскільки спаювані поверхні вже покриті оловом, це не має складати труднощів.

Тепер обрізаємо з’єднувальні проводи та видаляємо їх залишки. Отвори, що залишилися після цього, мають діаметр, менший однієї десятої довжини хвилі, і тому є електрично непроникними. Їх можливо просто зашпаклювати. Місця паяння поверхонь зачищаються паяльником та поліруються.

Останній крок – припаяти роз’єм з чвертьхвильовим зондом. Однак тепер паяльник використовується без прогріву за допомогою додаткових пристроїв. Оскільки фіксуюча проволока вже прибрана, такий прогрів може спричинити деформацію або руйнування конструкції.

Фарбування сірою фарбою (наприклад, з балончику) придасть нашому рупорному опромінювачу вигляд професійного виготовлення.

Використання даного частотного діапазону добре тим, що зроблена своїми руками рупорна антена може бути легко перевірена за допомогою комп’ютера, підключеного до бездротової локальної мережі (WLAN). У разі використання рупорної антени замість звичайної вібраторної антени спостерігається направленість випромінення та збільшення дальності дії у напрямку максимального випромінення.