Існує безліч видів СВЧ-антен - параболічні, фазированные решітки, на основі лінз Френеля і т. д. Стосовно до умов домашнього виготовлення рекомендуються ПА, зважаючи на простоту їх виготовлення.
Можливі два варіанти виконання ПА:
- шляхом выклейки на матриці;
- пайкою з мідної дроту та сітки (т. зв. сітчасті антени).
Кожна з антен має свої переваги і недоліки. До достоїнств першої відноситься простота форми контролю при виготовленні, до другої - менші маса і парусність.
Перш за все потрібно визначити, який опромінювач є в наявності у радіоаматора. Звернемося до рис.1 і визначимо параметри, які характеризують антену. По-перше, це її діаметр d (як правило, їм і задаються на початку розрахунку). Найліпший відстань від фокуса антени (у фокусі розташовується опромінювач конвертера, або друге дзеркало у разі двухрефлекторной системи).рефлектора антени називається фокусною відстанню f. Глибина дзеркала h - найбільша відстань від площини розкриву рефлектора S до самого рефлектора антени. Кут апертури Ф - кут, під яким видно площину розкриву дзеркала антени S з її фокуса F. При цьому вони зв'язані наступними співвідношеннями.
Відношення f/d визначає параметри вашого опромінювача. Зазвичай f/d лежить в межах 0,3...0,5. Чим більше це відношення, тим менше h і тим менше витрата матеріалів на виготовлення ПА (при деякої втрати коефіцієнта підсилення Ку). Якщо ви маєте опромінювач з f/d=0,3 і хочете знизити витрати, то придбайте опромінювач з f/d=0,5, а краще всього придбати опромінювач із змінним f/d.
Спочатку за формулою (2) обчислюють залежність у від х (приймає значення від 0 до d/2) і складають таблицю. Отримані значення переносять на міліметрівку та будують параболу. Далі її наклеюють на аркуш сталі товщиною 5 мм і випилюють по лінії параболи. Таким чином виходить ніж (необхідно суворо дотримуватися його форму, оскільки від цього великою мірою залежить кінцевий результат і якість ПА). Потім, відповідно до рис.2, слід підібрати стрижень 2 і 1 підшипник відповідних розмірів (3 - ніж). При цьому ніж вкорочують на половину діаметра стрижня 2 і приварюють до нього співвісно. У відповідності з рис.3 виготовляють каркас із сталевого прутка діаметром 8...10 мм (зварюванням). При цьому ребра приблизно 2 вигинають по ножу. У вершину каркаса вваривают підшипник.
Встановлюють каркас на рівній площадці, при цьому під підшипник 1 (рис.3) необхідно встановити трубу вертикально 4 з внутрішнім діаметром, більшим ніж діаметр підшипника 1. Весь простір під каркасом заповнюється щебенем або битою цеглою.
Встановивши на підшипник шайбу 4 (рис.2) діаметром, дещо більшим, ніж діаметр підшипника, і висотою, рівною товщині майбутньої ПА (наприклад для ПА діаметром 2 м товщина дорівнює 25 мм), вставляють в підшипник ніж. Замішують бетонний розчин цемент-пісок до густої консистенції, накладають його на каркас і вирівнюють ножем. Висушують отриману матрицю протягом 3...5 діб. На третю добу (при сухій погоді) затирають утворилися тріщини алебастром і зачищають наждачним папером, контролюючи якість поверхні ножем. Слід зауважити, що якщо ви плануєте використовувати матрицю неодноразово, помістіть між нею і землею два-три шари руберойду, щоб вона не руйнувалася від вологи. Також не раджу використовувати рекомендацію з [2] за виготовлення матриці з глини, оскільки цей матеріал при просушуванні дає багато тріщин, і отримана матриця недовговічна.
Далі приступають до виклейки антени. Існує безліч способів виконання цього процесу. Наведемо кілька порад. По-перше, якщо ви выклеиваете антену великого діаметру, то пам'ятайте три недоліки, властиві їй - велика вага, опір вітру і невисоку міцність. Для спрощення виготовлення поділіть антену (точно) на 6...8 секторів (при цьому врахуйте форму їх з'єднання, скріплення). В цьому випадку матрицю також можна зробити у вигляді сектора, але все ж краще виготовити її повністю, оскільки на ній можна буде выклеивать офсетні антени. Для міцності збільшити товщину рефлектора і армируйте його радіальними ребрами із сталевого дроту.
В якості матеріалу для выклейки ПА зазвичай беруть склотканина, нарізану смугами, і епоксидний клей. Можна скористатися методикою, описаною в [1], дещо спростивши її. Спочатку на вимиту з милом матрицю наносять розділову суміш, у якості якої використовують автомобільне масло (кращий результат виходить, якщо перед цим натерти матрицю рівним шаром мастики для паркету). В шайбу 4 (рис.2) щільно вставляють трубу, на яку нещільно надягають іншу шайбу з дюралюмінію, висота якої дорівнює товщині рефлектора. Далі наносять шар смоли (не пошкодивши розділову суміш) і накладають шматки склотканини, розгладжуючи їх і забираючи бульбашки повітря. Звичайно, бажано використовувати металізовану склотканина, але можна використовувати і звичайну, зважаючи малодоступності першої. В подальшому (після виготовлення) необхідно обклеїти рефлектор шматками алюмінієвої фольги, вирізаними секторообразно. Все-таки перший варіант, з армованої склотканиною, краще з-за кращої якості поверхні. Інший варіант формування струмопровідної поверхні полягає в нанесенні на поверхню, що відбиває ПА фарб, до складу яких входять металлопорошковые підстави (сріблянка тощо).
Довівши товщину рефлектора до необхідних розмірів, приформовывают гайки для його кріплення. Можна також раму, до якої кріпиться рефлектор, приварити до радіальних ребер жорсткості, якими кріпиться рефлектор. Рефлектор також можна кріпити болтами через наскрізні отвори, просвердлені в ПА після її висихання. Антени невеликого діаметра можна виготовляти з пап'є-маше (ідея була підказана Р. К. Гайдиновым). В якості наповнювача беруться газети. Їх замочують у воді і пропускають через м'ясорубку. Додають в отриману масу шпалерний клей в якості зв'язуючого матеріалу. Отриману суміш наносять на матрицю (попередньо завдавши на неї розділову суміш) і вирівнюють її шпателем, формуючи потрібну поверхню. Після висихання антену знімають і вкривають струмопровідним шаром і декількома шарами нітрофарби для захисту ПА від атмосферних опадів. Замість газет можна використовувати тканину, як описано в [2], формуючи ПА як і у випадку зі склотканиною, використовуючи в якості зв'язуючого матеріалу шпалерний клей.
Другий варіант ПА (сітчастий) описаний в [3]. Для неї виготовляють шаблон (рис.4), параметри якого розраховують за формулою (2). За нього згинають радіальні параболи з товстого мідного дроту. Товщина дроту вибирається виходячи з діаметра антени. Наприклад для антени діаметром 1,5 м беруть дріт діаметром 4...5 мм. Також необхідно виготовити кругові пояса. Діаметр поясів змінюється з кроком 10...30 див. Місця пайки поясів до радіальним параболам обчислюються за формулою (1). Після виготовлення каркаса його обтягують мелкоячеистой мідною сіткою, яку припаюють до нього. Слід зауважити, що чим більше діаметр ПА, тим товще дріт, з якого її виготовляють, і тим важче його паяти (при використанні дроту діаметром більше 7 мм бажана контактна зварка).
Наступний крок - виготовлення опорно-поворотного пристрою (ОПУ). Всі ОПУ поділяються на два види: азимутально-угломестные і полярні.
Перший тип простіше у виготовленні, так як використовує лише дві регулювальні осі (при перенастроюванні з супутника на супутник використовуються обидві). Перша вісь - азимутальна, і її кут обчислюється за формулою
де ф - довгота місця прийому в градусах, Фисз - місце розташування ШСЗ на орбіті в градусах, w - широта місця прийому в градусах.
Якщо ви направите антену строго на південь, то для налаштування на заданий супутник по азимуту вам необхідно від А відняти 180°. Якщо кут буде позитивним, антену зміщують на величину цього кута в західну сторону; якщо негативна - у східну.
Кут розташування угломестной осі 2 (рис.5) обчислюється за формулою
Конструкція підвіски довільна. Розміри її залежать від діаметра антени. Наприклад для антени діаметром 1,2 м ОПУ виготовляють у відповідності з рис.6.
Зазначений тип ОПУ використовується в основному з офсетними ПА і прямофокусными ПА малого діаметра. Так як антени великого формату мають більшу вагу, їх незручно перебудовувати щодо двох осей. Тому для них використовують інший тип ОПУ - полярний (рис.7). У ньому є чотири осі обертання - А (1), РОЗУМ(2), полярна (3) і коригувальна (4). Для орієнтування антени необхідно, щоб площину, якій належать полярна вісь і вісь рефлектора, лежала в азимутальній площині осі 1 і напрямку на південь, зазначеного в дійсний полудень. Для визначення напрямку вбивають у землю невеликий штир, і кожні 20...30 хвилин відзначають стан тіні, що відкидається штирем. Найліпший відстань від кінця штиря, вбитого в землю, до лінії, пройденої тінню кінця штиря і є напрямком на південь.
Далі встановлюють кут осі РОЗУМ (2) дорівнює географічній широті місця прийому в градусах. Встановлюють кут До коригуючої осі (4)
Потім полярну вісь (3) повертають на кут
де ф -довгота місця прийому; Фисз - місце розташування супутника на ДСО (якщо ст. д. (Фисз>0, якщо з.д., то Фисз<0).
Як можна помітити, у разі полярної підвіски для перебудови з супутника на супутник використовується лише полярна вісь (що й дало назву цьому типу ОПУ). Отже, спрощується перенастроювання антени. Діапазон перебудови лежить в межах ±40° відносно південного напрямку. Але за простоту в експлуатації платять ускладненням механізму ОПУ.
На рис.8 наведено один із численних варіантів полярної ОПУ.
Розміри вказані для ПА діаметром 2 м. До труби 1 приварюється фланець 2. Зверху надівається фланець 3, який вільно обертається навколо своєї осі. У фланцях є 4 отвори для їх взаємної фіксації. До верхнього фланця приварюють дві труби 5 діаметром 40 мм і довжиною 60 см. До цих трубках двома болтами кріпиться труба довжиною 6 80 див. трубі 6 приварюють дві труби 7 діаметром 40 мм і довжиною 25 див. До труб 7 кріпиться трапеція 8 допомогою гвинтів 12 (трапеція виготовляється з труб діаметром 25...32 мм). До трапеції за допомогою скоб 9, 10 (дуже міцних) кріпиться рефлектор антени, при цьому в нижню трубу трапеції вставляють штифт з різьбленням на кінцях, а скобу 10 кріплять до верхньої труби трапеції за допомогою гвинтів 11, якими регулюється коригуючий кут. Угломестная і полярна осі регулюються з допомогою тальрепов (на малюнку не показані для спрощення). Важливо розташувати їх таким чином, щоб вони були доступні і не заважали доступу до конвертора, має обратноотражающий опромінювач. Не раджу пристосовувати всілякі позиціонери, актуатори та інші засоби дистанційної настройки, застосування яких виправдано лише у випадках використання малоформатних ПА. При виготовленні ПА необхідно забезпечити мінімальний люфт всіх з'єднань, т. к. бовтанка антени на вітрі погано позначається на прийомі, а також призводить до швидкого руйнування ОПУ.
Для кріплення конвертера до антени у відповідності з рис.9 в рефлекторі свердлять три отвори. Виготовляють з дюралюмінію кільце 1 з внутрішнім діаметром, рівним діаметру шийки конвертера. Кільце може складатися з двох частин, які з'єднуються між собою болтами. У кільці свердлять три отвори 3 і нарізають в них різьблення. З дюралюмінію (трубок) виготовляють три штанги 2. Розмір їх підбирається так, щоб кільце 1 відстояла від точки фокуса F на 2...3 див На кінцях штанг нарізають різьбу і угвинчують їх у кільце 1, а потім їх кріплять до рефлектора 4.
Коефіцієнт підсилення отриманої антени розраховується за формулою
де Q - коефіцієнт використання поверхні (КВП), для більшості типів опромінювачів Q=0,4...0,7 (зазвичай 0,6);
L - довжина прийому хвилі.
В таблиці зведені дані про Ку антен трьох діаметрів на найбільш використовуваних діапазонах (Q=0,6).
Як ми бачимо, чим вище частота, тим більше Ку антени. Але при існуючому положенні (супутники мають приблизно рівну ефективну випромінену потужність) при різному загасання сигналів на трасі супутник - Земля (на більш високих частотах загасання більше) результуючий сигнал на вході приймача на різних діапазонах приблизно однаковий.
Цікавий і той факт, що в каталогах багатьох фірм, які торгують ПА, вказані явно завищені Ку. Можете перевірити самостійно, вважаючи КУ за вищенаведеною формулою.
Таблиця 1
fo, ГГц
17,5
11,5
3,9
2,6
0,72
d, м L, м
0,017
0,026
0.077
0,115
0,417
0,6
38,7
35,0
25,5
22,1
10,9
2.0
49,1
45,4
36,0
32,5
21,3
5,0
57,1
43,9
43,9
30,5
29,3
З таблиці також видно, що на низьких частотах застосування ПА недоцільно з-за більш низького порівняно з антенними фазированими гратами Ку.
Наведу кілька порад.
1. Чим більше діаметр ПА, тим вужче її діаграма спрямованості, тому поряд з великою антеною бажано встановити антену маленького діаметра і налаштувати її на супутник, що має максимальний рівень сигналу у вашій місцевості. Потім, помітивши приблизний напрям на супутник, направити в тому ж напрямку велику антену. Прийнявши сигнал, відкоригувати положення опромінювача у фокусі антени по найкращому прийому зображення слабких каналів.
Можна ще більше спростити перенастроювання великий антени, зміцнивши маленьку на її краю таким чином, щоб осі обертання ПА 1, 2 (рис.10) були паралельні. В схему кріплення малої антени необхідно ввести коригуючі гвинти, для попередньої установки паралельності осей антени. Прийнявши сигнал маленької антеною, переключаються на велику.
Для точного налаштування на супутник (навіть має дуже малий сигнал) дуже зручно застосовувати спеціальні детектори, схеми яких публікувалися в радіоаматорський літературі. Також для цієї мети можна використовувати аналізатор спектру (на діапазоні від 1 до 2 ГГц), подавши сигнал від конвертера через розділовий конденсатор. При цьому не слід забувати подати на конвертор напруга живлення +14 Ст.
2. Необхідно ретельно заземлювати антену і конвертер щоб уникнути виходу з ладу апаратури під час грози (судячи за статистикою, це трапляється досить часто). Для цього намотують на роз'єм, з'єднуючий кабель з конвертером, 2...3 витка дроту діаметром 1,5...2 мм і заземлюють. Таким же дротом заземлюють (окремо і паралельно на один контур) металеву поверхню антени і ОПУ.
3. Не забувайте, що чим більше діаметр антени, тим більше її опір вітру, тому необхідно передбачити заходи щодо захисту антени і ОПУ від вітрових навантажень. Використовуйте для виготовлення ОПУ якісний сталевий прокат. Наприклад, якщо для метрової ПА потрібно несуча труба діаметром 32...40 мм, то для двометровою - 120...150 мм. Якщо є можливість, встановіть антену так, щоб її з тильного боку захищала стіна. По можливості уникайте встановлення антени на висоті.
На закінчення хочу відзначити, що в даній статті описана лише мала частина антенних систем.
Персонально дякую Ст. Ст. Орлова і С. А. Козлова за допомогу у виготовленні металоконструкцій, креслення яких наведені в даній статті.
Література
Автор: Ст. Федоров, пгг. Лев Толстой, Липецької обл.; Публікація: М. Большаков, rf.atnn.ru