Hornantenner er blant de mest brukte retningsantennene innen mikrobølge- og millimeterbølgeteknikk. Deres enkle mekaniske struktur, forutsigbare strålingsegenskaper, relativt lave refleksjon og evne til å oppnå moderat til høy forsterkning gjør dem verdifulle i antennemåling, EMC-testing, radar, kommunikasjonssystemer, matesystemer og RF-laboratorier.
En hornantenne kan i hovedsak betraktes som enbølgeleder med en gradvis utvidet blenderåpningI stedet for å la elektromagnetiske bølger møte en brå overgang fra bølgelederen til det frie rommet, gir den utvidede seksjonen en mer gradvis transformasjon. Dette bidrar til å forbedre impedanstilpasningen og leder mer av den elektromagnetiske energien inn i en kontrollert strålingsstråle.
Avhengig av bølgeledergeometrien og retningen som blenderåpningen utvides i, kan hornantenner utformes i flere former, inkludertsektorhorn, pyramidehorn og koniske hornDen opprinnelige referanseartikkelen bruker disse tre konfigurasjonene som hovedintroduksjonen til hornantennestrukturer.
1. Hvordan fungerer en hornantenne?
En bølgeleder holder elektromagnetisk energi inne i en ledende struktur. Når den styrte bølgen når en åpen ende, stråler deler av energien ut i det frie rommet, mens deler kan reflekteres på grunn av overgangen mellom bølgeleder- og friromsimpedansene.
En hornantenne reduserer bråheten i denne overgangen ved gradvis å øke bølgelederens tverrsnitt mot blenderåpningen.
Etter hvert som den elektromagnetiske bølgen forplanter seg gjennom den utvidede delen, utvider feltet seg over en større blenderåpning. Blenderåpningen stråler deretter ut i det frie rommet og produserer en retningsbestemt stråle.
Fakkelen tjener derfor to viktige formål:
- Det gir en jevnere overgang mellom bølgelederen og det frie rommet.
- Det øker den effektive strålingsåpningen, noe som gir større retningsvirkning og forsterkning.
Det er viktig å merke seg at et horn gjørikke eliminere refleksjoner eller stående bølger fullstendigI stedet kan et passende designet horn redusere refleksjon og gi god impedanstilpasning, noe som ofte gjenspeiles i en relativt lav VSWR.
Figur 1. Typisk hornantenne med en gradvis utvidet bølgelederåpning.
2. Driftsfrekvens for hornantenner
Hornantenner har ikke ett universelt frekvensområde.
Driftsfrekvensen deres bestemmes i stor grad avbølgelederdimensjoner, bølgeledermodus, blenderåpningsgeometri, matestruktur og tiltenkt båndbredde.
Tradisjonelle hornantenner er spesielt vanlige ved mikrobølge- og millimeterbølgefrekvenser fordi bølgelederdimensjoner blir praktiske når bølgelengden avtar. Imidlertid kan spesialdesignede bredbåndshornstrukturer også operere ved lavere frekvenser, mens presisjonsbølgelederhorn kan strekke seg godt inn i millimeterbølge- og sub-THz-bånd.
For eksempel finnes det hornantennedesign fra hundrevis av megahertz til godt over 100 GHz. RF MISO tilbyr for tiden bredbåndshornkonfigurasjoner som opererer fra300–750 MHz, samt koniske hornantenner som dekker220–325 GHz, som illustrerer hvor bredt det praktiske frekvensspennet til denne antennefamilien kan være.
3. Hovedtyper av hornantenner
3.1 Sektorhornantenne
Et sektorhorn produseres når en rektangulær bølgeleder utvides i bare ett plan.
Hvis bølgelederen utvides iE-plan, strukturen kalles enE-plan sektorhornHvis utvidelsen skjer iH-plan, det kalles enH-plan sektorhorn.
Fordi blenderåpningsdimensjonen bare øker i ett plan, er stråleformingen mer uttalt i det tilsvarende planet.
3.2 Pyramidal hornantenne
Et pyramideformet horn dannes når en rektangulær bølgeleder utvides i både E-plan- og H-plan-retningen.
Den resulterende strukturen ligner en avkortet pyramide og gir blenderåpningsutvidelse i begge dimensjoner.
Pyramideformede horn er mye brukt somstandardforsterkningshorn og referanseantennerfordi forsterknings- og strålingsmønstrene deres kan karakteriseres nøyaktig.
RF MISO tilbyr for eksempel hornantenner med standard forsterkning på tvers av en rekke mikrobølge- og millimeterbølgebånd. WR10-hornfamilien med standard forsterkning inkluderer modeller som opererer fra75 til 110 GHz, med spesifisert forsterkning, VSWR, polarisering og strålebreddekarakteristikker.
3.3 Konisk hornantenne
Et konisk horn dannes vanligvis ved gradvis å utvide en sirkulær bølgeleder mot en sirkulær åpning.
I motsetning til et pyramideformet horn, som stammer fra en rektangulær bølgeleder, har et konisk horn rotasjonssymmetrisk geometri.
Koniske hornantenner brukes ofte i mikrobølge-, millimeterbølge-, matings- og måleapplikasjoner. Avhengig av matingsstrukturen og polarisasjonsnettverket kan de også støtte mer spesialiserte polarisasjonskonfigurasjoner.
Figur 2. Typiske konfigurasjoner av hornantenner: E-plan sektorformede, H-plan sektorformede, pyramideformede og koniske horn.
4. Refleksjonsvinkel, blenderåpningsstørrelse og hornlengde
Geometrien til et horn har direkte innflytelse på dets elektromagnetiske ytelse.
Tre viktige designparametere er:
utstrålingsvinkel, blenderåpningsstørrelse og hornlengde.
En større blenderåpning kan generelt gi høyere retningsevne og en smalere stråle, men å bare øke utvidelsesvinkelen gir ikke automatisk bedre ytelse.
Hvis hornet er for kort for en gitt blenderåpningsstørrelse, kan det oppstå for stor fasevariasjon over blenderåpningen. Dette reduserer blenderåpningseffektiviteten og kan forringe strålingsmønsteret.
Motsatt øker det å gjøre hornet for langt den mekaniske størrelsen og vekten uten nødvendigvis å gi en proporsjonal forbedring i ytelsen.
Horndesign innebærer derfor balansering:
- Blenderåpningsstørrelse
- Flarevinkel
- Lengde
- Fasefeil
- Gevinst
- Strålebredde
- Mekaniske dimensjoner
5. Strålingsmønster og stråleegenskaper
Hornantenner er vanligvis retningsbestemte radiatorer.
Elektromagnetisk energi konsentreres primært i fremoverretningen gjennom åpningen, noe som produserer en tydelig definert hovedstråle sammen med sidelober.
To kutt i strålingsmønsteret er spesielt viktige:
- E-plan strålingsmønster
- H-plan strålingsmønster
De3 dB strålebreddebrukes ofte til å beskrive vinkelbredden til hovedstrålen mellom de to punktene der den utstrålte effekten faller 3 dB under maksimumsverdien.
Generelt sett øker økning av den effektive blenderåpningen i forhold til bølgelengden retningsevnen og har en tendens til å smalne strålen.
Dette forholdet kan også observeres i praktiske millimeterbølgehornantenner. For eksempel spesifiserer RF MISOs 75–110 GHz standardforsterkningshorn E-plan- og H-plan-strålebreddekarakteristikker sammen med forsterknings- og VSWR-data.
Figur 3. Illustrasjon av elektromagnetisk bølgeekspansjon og stråling gjennom en hornåpning.
6. Fordeler med hornantenner
Hornantenner tilbyr flere fordeler for RF- og mikrobølgesystemer:
God retningsevne
Den forstørrede blenderåpningen konsentrerer strålingen fremover.
Forutsigbare strålingsegenskaper
Veldesignede hornantenner kan gi stabile og veldefinerte E-plan- og H-planmønstre.
God impedansmatching
Den gradvise overgangen fra bølgeleder til fritt rom kan redusere refleksjon og støtte lav VSWR.
Moderat til høy forsterkning
Ulike blenderåpningsstørrelser og hornlengder kan utformes for å gi forskjellige forsterkningsnivåer.
Relativt enkel struktur
Sammenlignet med mange komplekse antennearkitekturer med høy forsterkning, er konvensjonelle horn mekanisk enkle og robuste.
Egnet for høyfrekvent måling
Deres bølgelederbaserte arkitektur gjør hornantenner spesielt verdifulle i mikrobølge- og millimeterbølgemålingssystemer.
7. Designhensyn og begrensninger
Hornantenner innebærer også flere tekniske avveininger.
Høyere forsterkning krever generelt en større elektrisk blenderåpning, noe som kan øke antennens fysiske dimensjoner.
Forholdet mellom blenderåpningsstørrelse, hornlengde og utvidelsesvinkel må også kontrolleres nøye for å opprettholde akseptabel fasefordeling over blenderåpningen.
Ved svært høye frekvenser blir maskineringsnøyaktighet, overflatekvalitet, bølgelederdimensjoner og flensjustering stadig viktigere fordi selv relativt små mekaniske feil kan representere en betydelig brøkdel av bølgelengden.
Ingeniører må derfor ikke bare evaluere forsterkning og frekvensområde, men også:
VSWR, polarisering, krysspolarisasjonsytelse, strålebredde, sidelobenivå, RF-grensesnitt, effekthåndtering og mekanisk toleranse.
8. Anvendelser av hornantenner
På grunn av deres retningsbestemte stråling, stabile egenskaper og kompatibilitet med bølgeledersystemer, er hornantenner mye brukt i:
- Måling av antenneforsterkning
- Måling av strålingsmønster
- EMC- og EMI-testing
- Radarsystemer
- Mikrobølge- og millimeterbølgekommunikasjon
- Testing av satellittantenner
- Retningssøk og overvåking
- Anekoisk kammermåling
- Reflektorantenne mater
- RF-forsknings- og laboratoriesystemer
- Kalibrerings- og referanseantenneapplikasjoner
Bredbåndshorndesign kan også gi bred driftsbåndbredde for måle- og overvåkingssystemer. For eksempel er RF MISOs 18–40 GHz bredbåndshornantenner spesifisert for applikasjoner som mikrobølgetesting, antennemåling, satellittantennestesting, retningsfinning, overvåking og EMC-relaterte målinger.
Konklusjon
En hornantenne transformerer en styrt elektromagnetisk bølge til retningsbestemt fritt romstråling gjennom en gradvis voksende bølgelederåpning.
Kombinasjonen avgod impedanstilpasning, retningsbestemt stråling, forutsigbare stråleegenskaper, nyttig forsterkning og relativt enkel konstruksjonhar gjort hornet til en av de viktigste antennestrukturene innen mikrobølge- og millimeterbølgeteknikk.
Fra sektorformede og pyramideformede horn til koniske og bredbåndsdesign, kan forskjellige strukturer optimaliseres for spesifikke frekvensområder, polarisasjonskrav, forsterkningsnivåer og målemiljøer.
For ingeniører som velger en hornantenne, er frekvensområdet bare utgangspunktet. Forsterkning, VSWR, strålebredde, polarisering, bølgeleder- eller koaksialgrensesnitt, effekthåndtering og mekaniske dimensjoner bør alle evalueres i henhold til kravene til det komplette RF-systemet.
Publisert: 21. august 2026
