Рупорные конические антенны

Коническая рупорная антенна с питанием через коаксиальный кабель — это эффективное решение для создания антенны с умеренным усилением и линейной поляризацией, подходящей для верхнего диапазона УВЧ или нижнего СВЧ. Она отличается ограниченной полосой пропускания, но проста в изготовлении и допускает использование широко доступных и недорогих материалов. По сравнению с Яги (с аналогичным коэффициентом усиления), такая антенна крупнее, но менее требовательна к точности сборки, что исключает необходимость калибровки.

В сети можно найти множество конструкций подобных антенн, в основном рассчитанных на диапазон Wi-Fi 2,4 ГГц. Но для других частот, например LTE 2600 МГц, полные расчётные формулы часто отсутствуют или неполные. Данная статья объединяет все необходимые уравнения и рекомендации для проектирования и изготовления антенн, упрощая задачу радиолюбителям и инженерам.

Конструкция антенны

Рупорная антенна состоит из двух основных элементов:

1. Коаксиально-волноводный переход — цилиндрическая секция, обычно изготавливаемая из металлической банки или листового металла.
2. Рупор — коническая воронка, чаще всего выполненная из листового металла, хотя в некоторых случаях можно использовать готовую металлическую воронку подходящего размера.

Материалы для сборки

Для изготовления антенны подходят следующие материалы:

• Медный лист — оптимальный выбор благодаря высокой проводимости, но дорогой и сложный в обработке из-за теплопроводности.
• Оцинкованный стальной лист толщиной 0,3 мм — доступный и удобный материал, хотя менее эффективный, чем медь. Лужёный стальной лист предпочтительнее, так как его легче паять.

Избегайте алюминиевых листов или оцинкованной стали с алюминиевым покрытием, так как их невозможно паять. Все швы должны быть непрерывно проводящими, поэтому их необходимо тщательно пропаивать по всей длине. Использование винтов или заклёпок допустимо только при их плотном расположении, практически вплотную друг к другу.

Рабочая частота, МГц:

Коэффициент раскрыва:

КПД антенны, 0.5-1:

Рассчитать

Коаксиально-волноводный переход

Он представляет собой цилиндрическую банку с одним закрытым концом, к которой подключён коаксиальный разъём с коротким зондом. Разъём устанавливается на определённом расстоянии от закрытого конца. Критическими параметрами являются расстояние от оси зонда до дна банки и длина зонда, измеряемая от внешнего проводника разъёма.

Для выбора разъёма учитывается тип коаксиального кабеля:

• N-разъёмы подходят для крупных кабелей с низкими потерями (RG-8, RG-213, Belden 9913, LMR-400).
• BNC-разъёмы для кабелей среднего размера (RG-58).
• SMA-разъёмы для миниатюрных (RG-174, RG-316).

На частотах, где применяются рупорные антенны, потери в кабеле значительны. Поэтому для уменьшения потерь рекомендуется использовать кабели с низким затуханием и максимально сокращать их длину.

Зонд изготавливается из толстой медной проволоки и припаивается к разъёму. Разъём крепится к банке винтами и дополнительно припаивается для надёжного контакта.

Расчётные формулы

Далее приведены уравнения для проектирования коаксиально-волноводного перехода и рупора. Все размеры указаны в миллиметрах, частоты — в гигагерцах.

1. Диаметр волновода

Минимальный внутренний диаметр волновода рассчитывается как:

• Абсолютный минимум: \( D_{\text{min}} = 171 \div F_{\text{min}} \), где \( F_{\text{min}} \) — нижняя рабочая частота.
• Рекомендуемый минимум: \( D_{\text{min}} = 190 \div F_{\text{min}} \), для уменьшения длины волновода.
• Максимальный диаметр: \( D_{\text{max}} = 230 \div F_{\text{max}} \), где \( F_{\text{max}} \) — верхняя рабочая частота.

Диапазон частот для волновода с фиксированным диаметром ограничен отношением 1:1,21. Полоса пропускания может быть слегка расширена за счёт выбора диаметра по верхней частоте, но не превышает 30%.

2. Расположение и длина зонда

Расстояние от дна банки до оси зонда:
\[ D_{\text{probe}} = 75 \div \left( F \times \sqrt{1 — \left( \frac{30923}{F^2 \times D^2} \right)} \right) \]
где \( D \) — внутренний диаметр волновода, \( F \) — центральная частота.

Длина зонда (от внешнего проводника до конца):

• Для толстого зонда: \( L_{\text{probe}} = 71 \div F \).
• Для тонкого зонда: \( L_{\text{probe}} = 73 \div F \), но это снижает полосу пропускания.

Длина банки должна быть не менее \( 2 \times D_{\text{probe}} \), но превышение этого значения допустимо.

3. Параметры рупора

Диаметр устья (\( MD \)) определяет усиление антенны. Чем он больше, тем выше усиление, но это увеличивает длину рупора. Рекомендуется ограничивать усиление до 18–20 дБ, иначе предпочтительнее использовать параболическую антенну.

Длина наклона конуса:
\[ L_{\text{cone}} = MD^2 \times F \div 900 \]
где \( MD \) — диаметр устья, \( F \) — центральная частота.

Примечание: Наклонная длина измеряется вдоль поверхности конуса, а не по его оси.

Диаметр устья должен быть достаточно большим, чтобы избежать невозможных геометрических решений (когда \( L_{\text{cone}} \) меньше радиуса устья).

4. Изготовление конуса

Конус изготавливается из листового металла, вырезанного в форме сектора. Для расчёта макета необходимы:

Большой радиус: равен \( L_{\text{cone}} \)

Угол сектора:
\[ \text{Угол} = 180 \times MD \div L_{\text{cone}} \]

Малый радиус:
\[ R_{\text{small}} = 180 \times D \div \text{Угол} \]

где \( D \) — диаметр волновода.

После вырезки лист сворачивается в конус, швы тщательно пропаиваются, а конус соединяется с волноводом.

5. Упрощённая конструкция конуса

Для упрощения проектирования можно выбрать диаметр устья, равный трём длинам волны (\( MD = 900 \div F \)), что даёт угол сектора ровно 180°. В этом случае:

• Большой радиус: \( 900 \div F \).
• Малый радиус: \( D \).
• Ширина нахлёста: около 3% от \( MD \).

Макет рисуется циркулем: отмечается центр, проводятся дуги для большого и малого радиусов, затем деталь вырезается и сворачивается. Такая антенна обеспечивает усиление около 16 дБи.

Обратите внимание, что нарисована эта фигура с нахлестом шире, чем тот, который можно было бы использовать на практике, для ясности. Синяя область на этом рисунке — это вся деталь, включая нахлесты. Фото готового вырезанного листа показывает, как он выглядит с реалистичным нахлестом.

Практические рекомендации

А теперь кратко подведем итоги статьи:

• Волновод: Используйте жестяную банку подходящего размера. Если банки нет, изготовьте цилиндр из листового металла.
• Материалы: Медь — лучший выбор, но оцинкованный стальной лист толщиной 0,3 мм дешевле и проще в обработке. Лужёный лист предпочтительнее для пайки.
• Пайка: Все швы должны быть тщательно пропаяны. Для медных листов толщиной более 0,1 мм требуется мощный паяльник, чтобы избежать перегрева.
• Разъёмы: Используйте N-разъёмы для кабелей с низкими потерями. Никелированные разъёмы перед пайкой зачищаются для лучшего контакта.
• Кабели: Применяйте только кабели с низкими потерями (Belden 9913, LMR-400) и минимизируйте их длину.

Таблица проектирования конической рупорной антенны

Пояснения к таблице:

1. Частота 2600 МГц: Использована как пример для расчётов, соответствующий диапазону LTE. Значения можно пересчитать для других частот, заменив F.
2. Диаметр волновода: Пример основан на D = 80 мм, что укладывается в допустимый диапазон между Dmin и Dmax для 2600 МГц.
3. Упрощённый конус: При MD = 900 / F = 346 мм угол сектора составляет 180°, что упрощает изготовление.
4. Материалы: Оцинкованная сталь 0,3 мм выбрана как практичный и доступный вариант, хотя медь предпочтительнее по проводимости.

Таблица служит удобным справочником для проектирования и сборки конической рупорной антенны. Для адаптации под конкретные частоты достаточно подставить свои значения в указанные формулы.

Коническая рупорная антенна — это надёжное и доступное решение для диапазонов УВЧ/СВЧ. Её проектирование и изготовление не требуют сложного оборудования, а приведённые формулы позволяют адаптировать конструкцию под конкретные частоты. При правильной сборке она обеспечивает стабильное усиление и может быть изготовлена из подручных материалов.