¿Qué es Horn Antenna? | Son 3 parámetros importantes

Antena de cuerno

Crédito de la imagen: Schwarzbeck Mess-Elektronik, Schwarzbeck BBHA 9120 DCC BY-SA 3.0

Puntos de discusión: Antena de bocina

  • Introducción
  • Uso de antena de cuerno
  • Elementos de una antena de bocina y tipos de antena de bocina
  • Diseño de antena de cuerno
  • Directividad de la antena de bocina
  • Patrón de radiación de la antena de bocina
  • Ganancia de la antena de bocina
  • Ancho del haz de la antena de bocina
  • Pocos problemas matemáticos relacionados con Horn Antenna

Introducción

Para definir una antena de trompeta, debemos conocer la definición adecuada de antena. De acuerdo con las definiciones estándar de IEEE de antenas,

“Una antena es un medio para emitir o recibir ondas de radio”.

La antena de bocina es el tipo más popular de antena de apertura. Las antenas de apertura están especialmente diseñadas para frecuencias de microondas. Estos tipos de antenas de apertura se utilizan ampliamente y la mayoría sin adornos que no sean de ningún tipo.

Aunque el uso de la antena de bocina se inició en la década de 1800, la aplicación rápida se creó en la década de 1930. Estas antenas también habían sufrido modificaciones drásticas durante este tiempo. Se realizaron numerosas tesis e investigaciones para describir el diseño de la antena de bocina, descubrir el patrón de radiación de la antena de bocina y aplicaciones en diferentes sectores. Las aplicaciones en el dominio de transmisión de guías de ondas y microondas hicieron famosa la antena de cuernos. Es por eso que las antenas de bocina a menudo se interpretan como una antena de bocina de microondas.

¿Qué es la línea de transmisión? ¿Cómo se relaciona con la antena? ¡Conoce aquí!

Uso de la antena de cuerno

Las antenas de cuerno han encontrado aplicaciones impactantes como elementos de alimentación para radioastronomía considerable, rastreo de satélites, antenas de comunicación y muchos otros lugares. Se utiliza como alimentación para reflectores y lentes y también se utiliza en matrices en fase. Estas antenas se prefieren a los diferentes tipos de antenas de apertura, debido a su diseño justo y sencillo, mejor ganancia, versatilidad y rendimiento general.

Elementos de una antena de cuerno

La antena de cuerno es un tubo resonante de varios diseños que puede moldearse para hacer una abertura más grande. El rendimiento general de la antena se ve afectado por la dirección, la cantidad de ahusamiento y la directividad.

Tipos de antena de cuerno

Las antenas de bocina tienen diferentes formas de funcionamiento. Son -

· Antena de cuerno sectorial

  • E-avión
  • Plano H

· Antena de cuerno piramidal

Un cuerno piramidal típico -antena, Crédito- Tactron ElektronikAntenas de bocina ATMCC BY-SA 3.0

· Antena de cuerno cónico

Cuerno cónico -Antena y su patrón de radiación; Credito de imagen - Mª Luisa BelloBocinaLenteDieléctricaCC BY-SA 4.0

· Antena de bocina corrugada

Antena de cuerno corrugado; Credito de imagen: Laurent06LNB 2CC BY-SA 3.0

· Antena de bocina diagonal

Antena de cuerno diagonal; Fuente de imagen - NRAO / AUI / NSF, Antena de bocina de calibración NRAO (1967)CC BY 3.0

· Antena de bocina estriada

Antena de cuerno estriado; Credito de imagen -Schwarzbeck Mess-Elektronik, Schwarzbeck BBHA 9120 DCC BY-SA 3.0

· Antena de bocina cónica de modo dual

· Antena de cuerno de tabique

· Antena de bocina con apertura limitada

Diseño de antena de cuerno (Antena de cuerno piramidal)

La antena de cuerno piramidal es el tipo más utilizado y popular de antena de cuerno. Se conoce como bocina de ganancia estándar (por eso elegimos la bocina piramidal para describir). El patrón de radiación de la bocina piramidal es la combinación de antenas de bocina sectoriales E y H. Analicemos el diseño de una antena de cuerno piramidal.

Procedimiento de diseño

  • El diseñador / ingeniero debe conocer la ganancia (G0). También deben conocerse las medidas de 'a', 'b', de la guía de ondas cuadrilátera (utilizada como alimentación).  
  • El diseño tiene como objetivo derivar dimensiones tales como:1, b1, ρe, ρh, Pe, Ph. El cálculo debe llevar al diseñador a la ganancia óptima de la bocina-antena.
  • La selección de a1 y b1 también debe realizarse de forma guiada para que ayuden a encontrar la ganancia óptima y podamos derivar las ecuaciones de diseño.
  • La eficiencia de una antena de trompeta, incluidas las aberturas, es de aproximadamente el 50%. Ahora, sabemos que ...

a1 ≈ √ (3λρ2)

b1 ≈ √ (2λρ1)

La directividad se da como - D0

D0 = Aem [4π / λ2]

Aem es el área efectiva máxima y tiene una relación con el área física (abreviado como Ap).

Aem = εap Ap

εap es la eficiencia de apertura, 0 ≤ εap ≤ 1

Ganancia = G0

G0 = (1/2) * (4π / λ2) * (un1 b1)

O, G0 = (2π / λ2) * √ (3λρ2) * √ (2λρ1)

O, G0 (2π / λ2) * √ (3λρh * 2λρe) - (1)

Como suponemos ρ2 ≈ ρh y ρ1 ≈ ρe para antenas de cuerno largas.

Ahora, para darse cuenta de la antena de cuerno físico, Pe y Ph debe ser igual.

Lo sabemos,

Pe = (b1 - b) [(ρe / B1)2 - ¼]1/2

Ph = (a1 - a) [(ρh / un1)2 - ¼]1/2

Ahora, podemos reescribir la ecuación (1) como se muestra a continuación.

[√ (2χ) - b / λ]2 (2χ -1) = [{(G0 / 2π√χ) * √ (3 / 2π)} - (a / λ)]2 * [(G02 / 6π3χ) - 1] - (2)

Dónde,

ρe / λ = χ y,

ρh / λ = G02 / 8π3χ

La ecuación (2) se conoce como ecuación de diseño de antena de bocina.

  1. Al principio, tenemos que calcular el valor de χ, lo que gratificará el valor de la ganancia. Se considera un enfoque iterativo con un valor de prueba para encontrar el valor χ.

χ (sendero) = χ1 = G0 / 2π√2π

  1. Una vez que se calcula el valor correcto, el valor de ρe y ρh se calculan.
  2. A continuación, se calculan los valores a1 y b1 relacionados con los diseños.

a1 = √ (3λρ2) ≈ √ (3λρh) = (G0 / 2π) * √ (3λ / 2πχ)

b1 = √ (2λρ1) ≈ √ (2λρe) = √ (2λχ)

  1. Los valores de pe y ph se calculan al fin.

Directividad de la antena de bocina

Antes de dar un paso para descubrir la directividad de una antena de trompeta, háganos saber la directividad de una antena. La directividad de una antena se define como la relación entre la intensidad de radiación de una antena en una dirección particular y la intensidad de radiación promedio en todas las direcciones. La directividad se considera un parámetro para el cálculo de la figura de mérito de la antena.

La siguiente expresión matemática describe la directividad.

D = U / U0 = 4πU / Prad

Cuando no se proporciona la dirección, la dirección predeterminada es la dirección de máxima intensidad de radiación.

Dmax = D0 = Umax / U0 = 4πUmax / Prad

Aquí, 'D' es la directividad y no tiene dirección, ya que es una relación. U es la intensidad de la radiación. Umax es la máxima intensidad de radiación. U0 es la intensidad de la radiación de la fuente isotrópica. PAGSrad es la potencia radiada total. Su unidad es Watt (W).

Como se dijo anteriormente, la antena de cuerno es de tres tipos. Todas las clases tienen directividad diferente. Discutamos todos ellos.

Bocina sectorial E-Plane

La siguiente expresión da la directividad de la antena de bocina del E-Plane.

DE = 4πUmax /Prad = (64aρ1 * | F (t) | 2) / πλ b1

Donde, | F (t) | = [C2b1 / √ (2λρ1) + S2b1 / √ (2λρ1)]

Cuerno Sectorial H-Plane

La siguiente expresión da la directividad de la antena de trompeta sectorial del plano H.

DH = 4πUmax /Prad = [4πbρ2 /a1 λ] * {[C (u) - C (v)]2 + [S (u) - S (v)]2}

Dónde,

u = (1 / √2) * [{√ (λρ2)/un1 + Un1/ √ (λρ2)}]

v = (1 / √2) * [{√ (λρ2)/un1 - Una1/ √ (λρ2)}]

Antena de cuerno piramidal

La directividad de la bocina piramidal-antena depende tanto de la directividad de la bocina sectorial del plano E como de la H. La ecuación se da a continuación.

DP = 4πUmax /Prad = [8πρ1ρ2 /a1b1] * {[C (u) - C (v)]2 + [S (u) - S (v)]2} * {[C2b1 / √ (2λρ1) + S2b1 / √ (2λρ1)]}

Puede escribirse como:

DP = [π λ2 / 32ab] * DEDH

Patrón de radiación de la antena de bocina

El patrón de radiación es la dependencia angular de la fuerza de las ondas de radio de cualquier fuente electromagnética. La siguiente imagen muestra el patrón de radiación de una antena de cuerno piramidal.

Imagen que muestra el patrón de radiación de la antena de bocina

Ganancia de la antena del cuerno

La ganancia de una antena se refiere a la relación entre la intensidad en una dirección particular y la intensidad de la radiación si la antena se irradiara isotópicamente. Es un parámetro esencial para medir el rendimiento de una antena y tiene una estrecha relación con la directividad de la antena. La ganancia de una antena de trompeta se sitúa alrededor de 25 dBi y el rango es típicamente de 10 a 20 dBi.

Ancho del haz de la antena de bocina

El ancho de banda de la antena es la distancia angular entre dos puntos coincidentes en el reverso del contorno supremo. El ancho del haz de la antena de bocina se reduce si aumenta la frecuencia del proceso.

El ancho de banda de una práctica antena de trompeta se mantiene en un rango de 10: 1 a 20: 1.

Pocos problemas matemáticos relacionados con Horn Antenna

1. Encuentre la directividad de la antena de trompeta sectorial del plano E. Los detalles de la antena se dan a continuación. a = 0.5λ, b = 0.25λ, b1 = 6λ, ρ1 = 6λ

Solución:

b1 / √ (2λρ1) = 6λ / √ (2λ * 6λ) = 6 / √12 = 1.73

Una parte del gráfico integral de Fresnel; Credito de imagen - A. VAN WIJNGAARDEN y WL SCHEEN

Ahora, [C (1.73)]2 = (0.32)2 = 0.1024 [del gráfico de integrales de Fresnel]

Y, [S (1.73)]2 = (0.54)2 = 0.2916 [del gráfico de integrales de Fresnel]

Lo sabemos, DE = 4πUmax /Prad = (64aρ1 * | F (t) | 2) / πλb1

Donde, | F (t) | = [C2b1 / √ (2λρ1) + S2b1 / √ (2λρ1)]

DE = [{64 (0.5) * 6 * (0.1024 + 0.2916)} / 6π]

O, DE = 4.01 dB.

Entonces, la directividad de la Antena de Bocina Sectorial E-Plane dada es 4.01 dB.

2. Halle la directividad de la antena de trompeta sectorial del plano H. Los detalles de la antena se dan a continuación. a = 0.5λ, b = 0.25λ, a1 = 6λ, ρ2 = 6λ

Solución:

Lo sabemos,

u = (1 / √2) * [{√ (λρ2)/un1 + Un1/ √ (λρ2)}]

v = (1 / √2) * [{√ (λρ2)/un1 - Una1/ √ (λρ2)}]

Ahora, u = (1 / √2) * [{√ (6) / 6 + 6 / √ (6)}] = 2.02

Y, v = (1 / √2) * [{√ (6) / 6 - 6 / √ (6)}] = - 1.44

Usando integrales de Fresnel,

C (u) = C (2.02) = 0.48825

C (v) = C (-1.44) = -C (1.44) = - 0.54310

S (u) = S (2.02) = 0.3434

S (v) = S (-1.44) = -S (1.44) = - 0.71353

Sabemos que la directividad de la antena de bocina sectorial del plano H es 

DH = 4πUmax /Prad = [4πbρ2 /a1 λ] * {[C (u) - C (v)]2 + [S (u) - S (v)]2}

O, DH = [4π (0.25) 6/6] * [(0.488 + 0.543)2 + (0.343 + 0.713)2]

O, DH = (3.141) * (1.0629 + 1.1151)

O, DH = 6.84 dB

Por lo tanto, la directividad de la antena de bocina sectorial del plano H dada es de 6.84 dB.

3. Los detalles del diseño de una antena de trompeta piramidal se dan a continuación. ρ2 = 6λ = ρ1 = 6λ; a = 0.5λ, b = 0.25λ; un1 = 6λ = b1 = 6λ; Compruebe si se puede diseñar una antena de cuerno práctica con esos detalles. Además, averigüe la directividad de la antena de cuerno piramidal.

Solución:

            Ahora, ρe = λ √ ([62+ (6/2)2] = 6.708λ

            Y, ρh = λ √ ([62+ (6/2)2] = 6.708λ

Lo sabemos,

Pe = (b1 - b) [(ρe / B1)2 - ¼]1/2

Ph = (a1 - a) [(ρh / un1)2 - ¼]1/2

Ahora, Pe = (6λ– 0.25λ) [(6.708 / 6)2 - ¼]1/2 = 5.74λ

Y Ph = (6λ– 0.5λ) [(6.708 / 6)2 - ¼]1/2 = 5.12λ

Como podemos ver, Pe no es igual a Ph, por lo que el diseño no es posible de implementar.

            Sabemos que la directividad de una antena de cuerno piramidal es 

DP = [π λ2 / 32ab] * DEDH

            Ahora, DP = [π / 32 * (0.5) * (0.25)] * 6.84 * 4.01]

            [El valor de DEDH es ha sido calculado previamente]

            O, DP = 21.54

            Convirtiéndolo al valor dB, DP = 10log21.54 = 13.33 dB

Por lo tanto, la directividad de la antena de cuerno piramidal dada es 13.33 dB.

Sobre Sudipta Roy

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