Облучатели диапазонов 6 см и 3 см для зеркальной антенны
Иван ШОР (RA3WDK), г. Курск
Последние пять лет наблюдается увеличение радиолюбительской активности на СВЧ-диапазонах. Помимо проверки технических возможностей аппаратуры, вновь возросшему интересу способствовало включение этих диапазонов в планы многих популярных соревнований и создание специальной дипломной программы СРР. Можно сказать, что диапазоны 6 см и 3 см освоены вновь и используются командами в соревнованиях —
очно-заочном чемпионате России на УКВ и полевом дне на УКВ. Также уже проведены тестовые QSO на диапазонах 24, 47 и 77 ГГц.
Произошли и качественные изменения в составе типового СВЧ-комплекта аппаратуры, который, в отличие от комплектов времён 70—80-х гг. прошлого столетия, имеет теперь термостабильный опорный генератор, чаще всего привязанный к рубидиевым и GPS-стандартам. Всё это ускоряет процесс на-
хождения корреспондента на диапазоне. Улучшить рекорды дальности связи на этих диапазонах возможно благодаря использованию современных МШУ и мощных выходных усилителей. В антенно-фидерных трактах, наряду с волноводами, успешно используют коаксиальные СВЧ-кабели с малыми потерями, современные импортные реле с SMA-разъёмами и т. д.
В качестве зеркала антенны многие радиолюбители применяют офсетные зеркала для антенн спутникового телевидения ввиду их относительной дешевизны и доступности. Немаловажное достоинство таких зеркал — возможность удобного совмещения трансвер-тера и антенно-фидерного тракта в одном корпусе без протяжённой фидерной линии, что снижает общие потери тракта.
Облучателями для таких зеркал служат, как правило, рупоры с прямоугольным или круглым волноводом с шириной диаграммы направленности от 70° до 90° по уровню -10 дБ. Прямоугольный рупор на основе медного волновода соответствующего диапазона в домашних условиях сделать сложнее, чем конический рупор с использованием подходящей медной, латунной и даже алюминиевой трубы. У самых распространённых офсетных зеркал для спутникового телевидения отношение фокусного расстояния зеркала к его диаметру (F/D) лежит в пределах 0,5...0,6, что определяет оптимальный угол облучения около 80...85°. Для этого угла облучения автором были рассчитаны размеры рупоров для диапазонов 6 см и 3 см. Но даже при использовании более длиннофокусного зеркала с отношением F/D до 0,7 возможно применение этих облучателей для работы в Тропо и RainScatter-прохождениях, когда максимум диаграммы направленности антенны находится примерно 10° по углу места и шумы Земли составляют ощутимый уровень в общих шумах приёмной системы.
На рис. 1 представлен чертёж рупора для диапазона 6 см, на рис. 2 — для диапазона 3 см. Для волновода диапазона 6 см (частота 5760 МГц) подходят трубы с внутренним диаметром от 33 до 39 мм. Для диапазона 3 см (частота 10368 МГц) выбор медных труб больше. Хорошим вариантом может быть медная водопроводная труба 22x1 или 22x1,5 мм с внутренним диаметром 20 и 19 мм соответственно. Подходящие диаметры труб и соответствующие им размеры А и В для облучателя диапазона 6 см приведены в табл. 1, а для облучателя диапазона 3 см — в табл. 2.
Практика показала, что изготовление облучателей с отклонением в размерах ±0,5 мм даже в диапазоне 3 см не приводит к ухудшению расчётных характеристик и изменению диаграммы направленности облучателя.
Ввиду того что радиолюбители могут применять SMA-разъёмы разных типов (рис. 3,а и рис. 3,6) и соответственно другие детали для изготовления зонда (излучателя), в рупоре предусмотрены винты М3 или М4 из меди или латуни для настройки КСВ. Гайки, также латунные или медные, паяют к внешней стенке трубы. После настройки облучателя винты должны быть законтрены второй гайкой или залиты эпоксидным клеем.
Изготовление рупора начинают с разметки штангенциркулем медной трубы. Сверление отверстий желательно провести с помощью сверлильного станка для соблюдения соосности отверстий. Образующую рупора (конус) можно выполнить из медного, латунного или жестяного листа толщиной 0,2...0,4 мм. Для создания шаблона удобно использовать программу Cone Layout [1]. Она позволяет рассчитать и распечатать по усечённому конусу развёртку-шаблон, по которому можно вырезать и спаять по шву образующую рупора.
Задняя стенка облучателя изготовлена из медной или латунной пластины толщиной от 0,2 мм, припаянной по периметру окружности. Если волновод алюминиевый, необходимо выточить цилиндр диаметром на 0,1...0,2 мм меньше внутреннего диаметра волновода и закрепить её внутри электропроводящим клеем из ремкомплекта подогревателя заднего стекла автомобиля. После этого шов следует проклеить эпоксидным клеем ЭДП.
Как правило, из-за отсутствия промышленных измерительных приборов основную сложность для радиолюбителей представляет настройка облучателей по КСВ на рабочей частоте. Диаграмма направленности, а значит, и поле в раскрыве зеркала получаются автоматически при условии соблюдения размеров в изготовленном облучателе.
Существуют несколько способов настройки облучателей с использованием самодельных детекторов, СВЧ-мостов и направленных ответвителей. С описанием удачной конструкции можно ознакомиться в статье UA3DJG [2], но этот способ требует мощности не менее 50... 100 мВт для корректной работы детектора ввиду его малой чувствительности.
Автор настраивал облучатель диапазона 3 см с помощью логарифмического СВЧ-детектора на основе микросхемы AD8317 фирмы Analog Device и переделанного из микрополоскового вентиля циркулятора диапазона 8... 12 ГГц. Переделка вентиля заключалась в демонтаже штатной нагрузки и установки на это место коаксиального разъёма. Логарифмический детектор на AD8317 и его схема подробно описаны в [3]. Там же приведены плата и топология для монтажа. Использовать этот широкополосный детектор можно с любым тестером как индикатор и измеритель СВЧ-мощности от -50 до -5 дБм в диапазоне от 1 МГц до 10 ГГц. Применяя сменные аттенюаторы на входе измерителя, можно расширить динамический диапазон измерения СВЧ-мощности.
Функциональная схема стенда для настройки показана на рис. 4. Перед настройкой облучателя стенд необходимо проверить с помощью калиброванной нагрузки 50 Ом, присоединённой к порту 2 циркулятора. Уровень СВЧ-сигнала на входе логарифмического детектора должен при этом отмечаться как минимальный. При отключении нагрузки уровень сигнала на детекторе должен значительно возрасти. Можно откалибровать этот измерительный стенд в единицах КСВ с некоторой погрешностью исходя из отношения падающей мощности и отражённой от облучателя или с помощью калькулятора Return Loss/VSWR программы RFSim99. После этого можно присоединить к порту 2 циркулятора облучатель и начинать его настройку.
Принцип измерения КСВ заключается в том, чтобы получить минимальные отражения от облучателя на третьем порте циркулятора, подавая СВЧ-сиг-нал на первый порт. Причём сам уровень сигнала на детекторе не важен — подстроечными винтами на облучателе необходимо привести этот уровень к минимуму.
Так как зачастую у радиолюбителя отсутствует СВЧ-генератор и он использует в качестве источника сигнала трансвертер, необходимо применять аттенюатор с затуханием не менее 10...15 дБ. Это, прежде всего, требуется для соблюдения правил техники безопасности при работе с СВЧ-излу-чением, а также дополнительно развязывает измерительный стенд и выход трансвертера, что исключает повреждение оконечного каскада трансвертера при ошибках в подключении и при настройке облучателя. Аттенюаторов СВЧ-мощности производится достаточно много, чаще всего это продукция фирм Amphenol, HP, MiniCircuits (рис. 5). СВЧ-аттенюатор можно заменить отрезком коаксиального кабеля с известным затуханием. Например, кабель типа QuickForm 141 длиной 5 м имеет затухание на частоте 10 ГГц от 6 до 8 дБ в зависимости от производителя. Применяя другие типы кабелей, необходимо смотреть их паспортные данные затухания для частот 5 и 10 ГГц. И главное, удостовериться, что SMA-разъёмы заделаны качественно и кабель рассчитан для работы на частоте не менее чем 12 ГГц.
Необходимо соблюдать правила техники безопасности при работе с СВЧ-излучением: ни в коем случае не направлять настраиваемый рупор в сторону людей, не заглядывать в рупор при включённом трансверте-ре, не приближать раскрыв рупора к окружающим предметам на расстояние менее 1 м. Лучшим решением будет направлять раскрыв рупора в окно или проводить измерения на улице.
Настраивая облучатель, установленный на антенне, недопустимо находиться в его раскрыве! Лучше всего направить антенну вверх и регулировать настроечные винты, находясь ниже облучателя. При этом излучение в вашем направлении будет минимальным, кстати, чего сложно достичь при использовании прямофокусного параболического зеркала. После изготовления и настройки рупор желательно покрасить любой краской по металлу, а раскрыв рупора, закрыть тонким оргстеклом или плотным полиэтиленом (полиэтиленом высокого давления из посуды для микроволновых печей). Внешний вид изготовленного автором рупора для диапазона 6 см показан на рис. 6. На рис. 7 представлена его диаграмма КСВ, снятая с помощью векторного анализатора цепей.
Зачастую использование офсетной зеркальной антенны вызывает сложности с её ориентацией по углу места. Можно использовать данные из паспорта для этого зеркала и угломер для выставления угла места, а можно настраивать угол места по шумам Земли, которые прослушиваются с достаточным уровнем при направлении
антенны в горизонт и ниже горизонта. Я всегда после установки зеркала на поворотный механизм юстирую угол места для направления максимума
лепестка антенны в горизонт таким образом: направляю антенну примерно на 5...7° ниже предполагаемого нуля и далее приподнимаю выше на те же 5...7°. Примерно при средней интенсивности шума между минимумом и максимумом изменения угла места и будет направлением максимума в горизонт. При работе с корреспондентами, в зависимости от типа распространения СВЧ-сигнала, приходится корректировать угол места, как правило, на 2...5° в плюс по максимуму принимаемого сигнала. Особенно это заметно при QSO с использованием отражения от гидрометеоров.
По изложенному описанию было изготовлено около 15 рупоров обоих диапазонов. Все они были успешно использованы в проведении экспериментальных связей в СВЧ-днях активности, посвящённых Дню Победы в 2013 г.
