Добрый день, решил написать статью про изготовление простого демонстрационного комплекта для изучения СВЧ радиоволн из максимально доступных компонентов, при этом не ставя под угрозу здоровье любопытствующих.
Когда я учился в школе, ходил заниматься в радиотехнический кружок, и на уроках физики все ждал - когда можно будет потрогать руками школьный СВЧ передатчик и приемник, который был представлен в учебнике физики.
Но к сожалению, я так и не увидел его по причине их редкости. Тоже самое повторилось и при учебе в институте, а потом уже и мои дети изучали распространение электромагнитных волн все также по картинкам в учебнике или в лучшем случае по паре видеороликам в интернете. Приборы есть такие в продаже, но стоят они к сожалению не бюджетно, особенно для наших школ. К примеру «ТИПОВОЙ КОМПЛЕКТ УЧЕБНОГО ОБОРУДОВАНИЯ «ИЗУЧЕНИЕ АНТЕНН УКВ И СВЧ»» может стоить как новый отечественный автомобиль, тут могла бы быть прикреплена известная частушка юмора, но не будем нагнетать.
Хорошо описаны подобные приборы и эксперименты в книге:
В ней предоставлены описания соответствующих приборов. Сам по себе комплект для школы состоит из передатчика радиоволн СВЧ небольшой мощности с частотой примерно 10ГГц, соответствующего приемника, штативов и прочих аксессуаров для демонстрации. Во времена СССР передатчик был выполнен на клистроне, подключенному к модулирующему генератору звуковой частоты на электронной лампе.
Схема передатчика СВЧ из книги:
А приемник состоял из детекторного диода, подключенного к усилителю низкой частоты, что по сути дела представляло мало чувствительный детекторный приемник. Конструкция в разрезе приемника СВЧ из книги:
И надо добавить еще дополнительно, что к передатчику и приемнику шли нелёгкие блоки питания для питания ламп передатчика и приемника. Вот как выглядит клистрон К-19:
Совпало так, что одна из тем на работе (кроме разработки автомобильной электроники и приборов связанных с нефтедобычей), коснулась оценки применения подобных радиоволн СВЧ диапазона. До этого момента, опыт работы в данном диапазоне радиоволн был только гипотетический. И сейчас попробую описать свой опыт изготовления передатчика и приемника по быстрому и без формул с графиками. Я купил аналогичный клистрон, который применялся в СВЧ передатчике из любопытства на «Авито», но решил оставить его пока нетронутым на память, да и городить источник питания для него не хотелось тратить время. Решил сделать передатчик СВЧ сантиметрового диапазона на диоде Ганна, а приемник сделать по простой схеме все того же детекторного приемника. Диод Ганна — это такой диод, что если можно провести аналогию со светодиодом, то излучает он электромагнитные волны в сантиметровом диапазоне радиоволн, и особенно хорошо, если его установить для излучения в волновод и настроить в резонанс. В качестве детектора, решил использовать диод, который обычно применяют для приема СВЧ радиоволн и который аналогично устанавливают в волновод. Из доступных и недорогих выбор пал на следующие компоненты: диод ганна - 3А705, детекторный диод - Д603, причем цена каждого примерно по 100 рублей. К счастью у нас в Томске есть хорошая организация по продаже радиодеталей, в том числе привозят радиодетали даже из СССР («Триггер» салют!).
Для проверки работоспособности купленных компонентов, решил их проверить сначала как они работают буквально на пальцах: на диод Ганна 3А705 подаем периодически и кратковременно (чтобы не перегрелся в руках без теплоотвода, да и пальцы надо беречь) рекомендованное напряжение и ток от блока питания, а наличие излучения СВЧ проверяем на расположенном рядом и параллельно диоде Д603, подключив его выводы к осциллографу.
На осциллографе видим, что при подаче тока на диод Ганна, на контактах детекторного диода появляется разность потенциалов, причем вполне заметная.
Теперь можно делать волноводы с рупорами, которые сформируют радиоволну с заданной диаграммой направленности и согласуют эффективное излучение и прием радиоволн с волноводом. Тут можно привести аналогию с рупором для усиления и направления звуковых волн, принцип действия похож - вспомните переговорные трубы на флоте по старым фильмам, к примеру когда бравые капитаны кричали машинному отделению разное.
Акустический рупор - это акустический трансформатор, преобразовывающий акустическую энергию высокого давления и низкой колебательной скорости в районе горловины в низкое давление и высокую скорость в раструбе. Кроме этого рупор по сути является полосовым фильтром так как имеет нижнюю и верхнюю частоту среза звуковой частоты.
Рупор волновода нужен чтобы согласовать волновод с источником излучения с открытым пространством, что достигается за счет плавного увеличения конуса (расширявшейся пирамиды) волновода до значения, при котором фазовая скорость основной волны в рупоре приближается к скорости света в свободном пространстве. Или скажем так, что при этом волны выходит из волновода в требуемом направлении при минимуме отражения её обратно внутрь. При этом конечно приходится идти на некоторые компромиссы. На Ютубе есть замечательные ролики Тимура Гаранина на эту тему.
За помощью с расчетами антенн, заходим к примеру на сайт:
https://3g-aerial.biz/onlajn-raschety/raschety-antenn/horn-antenna-calculator
и ищем страничку расчета рупорной антенны онлайн.
Введя параметры средней рабочей частоты нашего диода Ганна, требуемую диаграмму направленности, после расчета получим размеры рупорной антенны.
Выражаю большое спасибо авторам указанного сайта!
Только я решил не делать такую антенну из меди как рекомендуется, да еще и с последующей полировкой внутренней поверхности с нанесением покрытием из серебра. Вместо этого решил попробовать напечатать антенну из имеющегося в наличии PLA пластика на 3-Д принтере, а затем покрыть её чем-либо металлическим. Нарисовал антенну в редакторе по рассчитанным размерам:
сконвертировал и распечатал:
Покрывать антенну гальваническим способом выходило не совсем бюджетно, да и не быстро. Поэтому решил просто обклеить её изнутри отрезками медного скотча.
Получившиеся швы пропаял оловом, и к счастью геометрия пластика от этого никак не пострадала.
Далее устанавливаем в рупоры диоды на свои рекомендованные расчетом места и фиксируем, кое где просто оловом. Паять диод Ганна побоялся, и поэтому закрепил его пружиной и винтом.
Диод Ганна решил модулировать звуковой частотой, приятной на слух, и прямоугольными импульсами с заданной скважностью, чтобы уменьшить на него тепловую нагрузку. Для этого сделал такую простую схему, где заодно с модуляцией ограничиваем максимальный ток через диод.
Номиналы резисторов чуть меняются при настройке, а схема питается от источника напряжением 12 Вольт.
Припаиваем провода к диоду Ганна: выход с транзистора модулятора на анод диода через подпружиненный винт, а общий минус на металлическую поверхность антенны, к которой катод диода получается просто прижат. И проверяем, что диод Ганна все еще работает.
Затем запаиваем заднюю стенку с условием, чтобы её можно было немного вогнуть внутрь или выгнуть наружу - это может потребоваться для настройки излучения диода на максимум.
Средний ток потребления схемы модулятора составил 0.1 Ампера. В импульсе ток через диод Ганна ограничен током 0.3 Ампера, при этом падение напряжения на нем составляет около 5 Вольт.
Далее устанавливаем детекторный диод в свой волновод приемника, запаиваем также заднюю стенку, и подключаем диод на вход усилителя низкой частоты, в моем случае к компьютерной колонке со встроенным усилителем и питанием.
В итоге, сигнал от передатчика уверенно принимается приемником на расстоянии 1 метр, когда антенны правильно направлены друг на друга.
Думаю что получилось неплохо, учитывая что принимаем сигнал передатчика на простой детекторный приемник с усилителем звуковой частоты от компьютерной колонки, которая имеет не высокий коэффициент усиления. Можно еще увеличить или уменьшить дальность — чуть выдавливая внутрь или наружу заднюю стенку волновода как у передатчика, так и у приемника.
Винты для настройки точно в резонанс решил не применять, чтобы не усложнять конструкцию. Далее чуть облагородил конструкцию - закрепил узлы схемы в единый блок для передатчика и приемника, и организовав подачу питания от батареек.
Теперь можно проводить разнообразные эксперименты:
руководствуясь как выше указанной книгой или хорошим учебником физики:
Получилась вся конструкция буквально за полдня, и после экспериментов отправится скорее всего в школу в кабинет физики.
Спасибо что прочитали, первый опыт на Хабре :)!
Автор:
SergeyAstanin
