Цель статьи – показать, как спроектировать, изготовить и настроить рупорный волновод для микроволнового диапазона (ВЧ, X‑ и Ku‑диапазоны) используя только доступные в домашней мастерской инструменты и недорогие материалы.

Теоретические основы

1.1 Что такое рупорный волновод?

Рупорный волновод – это расширяющаяся часть прямоугольного (или круглого) волновода, которая преобразует направленное в волноводе электромагнитное поле в излучение в свободном пространстве. За счёт плавного расширения сечения достигается хорошая согласованность с антенной и узкая диаграмма направленности.

1.2 Основные параметры

• Частота работы (f) – выбирается в зависимости от задачи (например, 10 ГГц для X‑диапазона).
• Размеры волновода – определяются по стандарту WR‑90 (для 8‑12 ГГц) или WR‑75 (для 12‑18 ГГц). Для 10 ГГц типичный размер: 22,86 × 10,16 мм.
• Критическая длина волны в прямоугольном волноводе: λc = 2a, где a – большая сторона сечения.
• Угол раскрытия рупора (θ) – обычно 30‑45°; рассчитывается из соотношения длины рупора L и изменения ширины b: tan(θ/2) = (b2‑b1)/(2L).

1.3 Почему рупор?

Рупор обеспечивает:

1. Минимальные потери согласования (обычно < 0,2 дБ).
2. Узкую диаграмму направленности (≈ 10‑15° для X‑диапазона).
3. Низкий уровень стоячих волн (VSWR ≈ 1,1‑1,3).

Выбор материалов и инструмента

Инструменты, которые понадобятся:

• Торцовочная пила по металлу (для резки трубки).
• Дрель и набор сверл (для отверстий под винты).
• Плоскогубцы, кусачки, напильники.
• Фрезер/долото (по желанию – для более точного вырезания рупора).
• Термопаяльник с припойом для алюминия (или сварка TIG, если есть возможность).
• Микрометр/штангенциркуль (для контроля размеров).

Расчёт размеров рупора

3.1 Параметры волновода

Для частоты f = 10 ГГц:

• Длина волны в свободном пространстве: λ0 = c / f ≈ 30 мм.
• Большая сторона волновода a = 22,86 мм, малая b = 10,16 мм.

3.2 Длина рупора

Оптимальная длина рупора L ≈ 2‑3 λg, где λg – волновая длина в волноводе:

λg = λ0 / sqrt(1 ─ (λ0 / 2a)²)
 = 30 мм / sqrt(1 ⎼ (30 / (2·22,86))²)
 ≈ 38 мм

Выбираем L ≈ 80‑100 мм (≈ 2,5 λg).

3.3 Угол раскрытия

Пусть конечная ширина рупора b2 = 40 мм (примерно в 4 раза больше начального b1 = 10,16 мм).

tan(θ/2) = (b2‑b1) / (2L) = (40‑10,16) / (2·90) ≈ 0,166
θ/2 ≈ 9,5° → θ ≈ 19°

Угол 20° – хороший компромисс между широкой диаграммой и низким VSWR.

3.4 Параметры входного поршня (тюнер)

Для согласования клистроном (или другим источником) используют регулируемый поршень длиной ≈ λg/4 ≈ 9‑10 мм. Поршень фиксируется винтом с резьбой M2.

Пошаговый процесс изготовления

4.1 Подготовка волновода

1. Отмерьте отрезок трубки длиной Lв = 100 мм (с запасом под фланцы).
2. С помощью торцовочной пилы сделайте чистый прямой срез.
3. Снимите наружную оксидную пленку наждачной бумагой (зернистость 400‑600) – это улучшит пайку.

4.2 Изготовление рупора

1. Вырежьте из листовой стали два одинаковых «половинных» листа П‑образной формы (по схеме ниже). Ширина листа должна покрывать большую сторону волновода плюс запас 5 мм.
2. Согните листы по центральной линии, получив форму «крыльев» рупора. Для лучшего результата используйте мягкую молотковую обработку и деревянный шаблон.
3. Соберите рупор, соединяя две половинки по средней линии при помощи небольших винтов (M2) и герметика. Шов должен быть как можно ровнее – в месте шва токи идут параллельно стенке, поэтому небольшие неровности не влияют сильно.
4. При необходимости укрепите рупор эпоксидным клеем, заполняя внутренний полый объём, а затем обрежьте излишки.

4.3 Сборка волновода и рупора

1. Снимите небольшую часть стенки волновода (≈ 1‑2 мм) в зоне соединения с рупором. Это делается ножом или небольшим фрезером.
2. Вставьте рупор в подготовленное отверстие, совместив центр волновода с осью рупора.
3. Закрепите рупор винтами, предварительно просверлив отверстия в стенке волновода (M2). При затягивании проверяйте, чтобы не возникло зазоров.
4. Заполните оставшиеся зазоры эпоксидом, чтобы исключить утечки энергии.

4.4 Изготовление регулируемого поршня

1. Возьмите короткую трубку (диаметром b1) длиной 12 мм.
2. Сверлите в её конце отверстие под винт M2 и закрепите винт в корпусе волновода.
3. Поршень будет выступать в волновод на регулируемую величину; вращая винт, вы меняете согласование.

4.5 Финальная проверка размеров

С помощью штангенциркуля измерьте:

• Внутренний размер волновода – отклонения не более ±0,1 мм.
• Угол раскрытия рупора – проверьте линейкой и угломером (≈ 20°).
• Глубину поршня – от 0 до 10 мм, чтобы можно было подобрать оптимальное положение.

Настройка и измерения

5.1 Подключение источника

Для тестов удобно использовать небольшую микроволновую генерацию (например, клистрон 10 ГГц, мощность до 30 мВт). Подключите генератор к входному фланцу волновода через коаксиальный переходник WR‑90 → SMA.

5.2 Измерение VSWR

1. Подключите к входу измеритель стоячей волны (VSWR‑метр).
2. Постепенно вращая винт поршня, ищите минимум VSWR (обычно VSWR ≤ 1,2).
3. Запишите положение поршня – это будет «оптимальная» настройка.

5.3 Диаграмма направленности

Для измерения используйте небольшую антенну‑приёмник (например, коническую антенну) на вращающемся столе. Поверните её от -90° до +90° и запишите уровень сигнала. Ожидаемый результат – главный луч в пределах ±10° от оси рупора.

5.4 Тест на мощность

Если у вас есть ваттметр, измерьте выходную мощность. При правильном согласовании потери в волноводе и рупоре не должны превышать 0,5 дБ.

Безопасность

• Работайте в хорошо проветриваемом помещении – при пайке алюминия выделяется оксидный дым.
• Носите защитные очки и перчатки при резке и сверлении металла.
• СВЧ‑излучение выше 1 мВт может быть опасным для глаз и кожи. Всегда проверяйте, что излучение направлено в безопасную зону.
• Не пытайтесь измерять мощность без соответствующего измерительного оборудования – это может привести к перегреву источника и повреждению компонентов.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

7.1 Можно ли использовать круглой волновод вместо прямоугольного?

Да, если поляризация не критична. Круглый волновод (D ≈ 20 мм) проще найти, но диаграмма направленности будет менее стабильной из‑за вращения поляризации.

7.2 Какой материал лучше – медь или алюминий?

Медь обладает лучшей электропроводностью, но тяжелее и дороже. Алюминий – более лёгкий и доступный, при правильной обработке (шлифовка внутренней поверхности) обеспечивает достаточную эффективность для мощностей до 30 мВт.

7.3 Нужно ли покрывать внутреннюю поверхность волновода золотом?

Для небольших мощностей (мВт) покрытие не требуется. Золотое покрытие используют в промышленном оборудовании для снижения потерь при мощностях в ваттах и выше.

7.4 Как уменьшить стоячие волны без поршня?

Можно добавить короткую λ/4‑заглушку в конце волновода или использовать двойной поршень (два регулируемых отрезка) – но поршень остаётся самым простым решением.

Самодельный рупорный волновод ВЧ – это реальный проект, который можно реализовать в домашней мастерской, имея лишь базовый набор инструментов и небольшие запасы материалов. Главное – строго соблюдать расчётные размеры, обеспечить хорошую механическую жёсткость и провести тщательную настройку поршня; При правильном подходе вы получите устройство с низким VSWR (< 1,2) и узкой диаграммой направленности, пригодное для учебных экспериментов, измерений и небольших передатчиков.

Список использованных источников

• Форум «Расчет кастомных ВЧ рупоров» – обсуждение параметров рупоров.
• Статья «Волноводы, рупоры и замедляющие системы» – теория и формулы.
• Обсуждение на «Самодельный волновод 23×10 мм» – практические советы по изготовлению из листовой стали.
• Стандартные размеры волноводов WR‑90 и WR‑75 (ГОСТ 25470‑79).
• Видео‑уроки на YouTube (по запросу «V4Y9yFY5I2c», «jv6Mlg3oPeQ») – визуальная демонстрация сборки.

Удачной сборки и безопасных экспериментов!