En hornantenne er en aperturantenne som bruker en utvidet bølgeleder for å sende elektromagnetisk energi ut i fritt rom eller samle innkommende energi fra en definert retning. Den enkle strukturen, det forutsigbare strålingsmønsteret, den relativt høye retningsvirkningen og evnen til å operere over nyttige mikrobølge- og millimeterbølgebåndbredder gjør den til et vanlig valg for antennemåling, radar, satellittkommunikasjon, EMC-testing, reflektormating og forskningssystemer.
Denne veiledningen forklarer hvordan hornantenner fungerer, de viktigste hornantennetypene, ytelsesparametrene som er viktige, deres fordeler og begrensninger, og hvordan du velger et passende design for en spesifikk RF-applikasjon.
Hva er en hornantenne?
En hornantenne dannes ved gradvis å utvide enden av en bølgeleder. Bølgelederen har en styrt elektromagnetisk modus, mens den utvidede seksjonen gir en overgang fra det mindre bølgeledertverrsnittet til en større strålingsåpning. Ved åpningen kobles det elektromagnetiske feltet inn i det frie rommet og danner en retningsbestemt stråle.
Flaren kan være rektangulær, pyramideformet, konisk, riflet, korrugert eller kombinert med en linse eller et polarisasjonsnettverk. Hver geometri endrer antennens driftsbåndbredde, forsterkning, strålebredde, polarisasjonsatferd, fasefordeling, sidelobenivå og mekanisk størrelse.
En hornantenne er passiv. Den genererer ikke RF-effekt eller forsterker et signal. Den tilsynelatende forsterkningen kommer fra å konsentrere utstrålt energi til et smalere vinkelområde sammenlignet med en isotropisk radiator. Den samme retningsbestemte oppførselen forbedrer også mottaket fra den tiltenkte retningen.
Hvordan fungerer en hornantenne?
Virkemåten til en hornantenne kan forstås i fire trinn:
- Energi kommer inn gjennom fôret.En rektangulær eller sirkulær bølgeleder, koaksial-til-bølgeleder-overgang eller et annet RF-grensesnitt eksiterer den nødvendige forplantningsmodusen.
- Bølgelederen utvider seg gradvis.Den utvidede seksjonen øker tverrsnittsarealet og reduserer den brå overgangen som ville oppstå ved en åpen bølgeleder.
- Feltet sprer seg over blenderåpningen.Horngeometrien styrer amplitude- og fasefordelingen over aperturen. Aperturstørrelse og feltuniformitet påvirker sterkt forsterkning, strålebredde, sidelober og krysspolarisering.
- Blenderåpningen stråler ut i det frie rommet.Feltene ved aperturen kombineres for å produsere et retningsbestemt fjernfeltsmønster. En større elektrisk apertur gir generelt høyere retningsevne og en smalere stråle, forutsatt at fasefeil og tap forblir kontrollert.
Flare eliminerer ikke refleksjon eller impedansavvik fullstendig. I stedet gir en riktig designet flare en mer gradvis overgang, noe som bidrar til å oppnå akseptabel VSWR og strålingseffektivitet over det tiltenkte båndet. Den endelige ytelsen avhenger av matemodus, flarevinkel, hornlengde, blenderåpningsdimensjoner, produksjonsnøyaktighet og eventuelle rygger, korrugeringer, linser eller polariserende strukturer som brukes i designet.
Ytelsesparametere for nøkkelhornantenne
Driftsfrekvensområde
Det brukbare frekvensområdet må være kompatibelt med matebølgelederen eller kontakten og med horngeometrien. Ytelsen bør kontrolleres over hele det nødvendige båndet, ikke bare ved senterfrekvensen. For et bølgeledermatet horn er det valgte bølgelederbåndet og flensen spesielt viktig.
Forsterkning og blenderåpningsstørrelse
Forsterkning beskriver hvor sterkt antennen konsentrerer energi i en bestemt retning, inkludert effekten av antenneeffektivitet. Høyere forsterkning krever vanligvis en større elektrisk apertur. Ved lavere frekvenser krever det vanligvis et fysisk større horn å oppnå samme forsterkning.
Strålebredde og strålingsmønster
Halv effektstrålebredde indikerer vinkelbredden til hovedstrålen. Et horn med høyere forsterkning har generelt en smalere stråle. Ingeniører bør også gjennomgå sidelobenivåer, oppførsel fra front til bak, og E-plan- og H-planmønstrene fordi to horn med lignende forsterkning kan ha ulik dekning og sidelobeegenskaper.
VSWR og returtap
VSWR og returtap indikerer hvor godt antenneinngangen er tilpasset RF-systemet. Dårlig tilpasning øker den reflekterte effekten og kan redusere effekten som leveres til antennen. Den akseptable grensen avhenger av sender, mottaker, kabeltap, kalibreringskrav og systemmargin.
Polarisering og krysspolarisering
Hornantenner kan støtte lineær, dobbellineær, sirkulær eller dobbelsirkulær polarisering når de er utformet med passende matings- og polariseringsstruktur. Den nødvendige polariseringen må samsvare med systemet. Krysspolarisering, aksialforhold for sirkulær polarisering og portisolasjon for dobbelpolariserte design bør evalueres når polariseringsrenhet er viktig.
Krafthåndtering og RF-grensesnitt
Bølgeledermatede horn velges ofte for mikrobølgesystemer med høy effekt, men den faktiske effektkapasiteten avhenger av hele enheten, inkludert bølgeleder, overganger, kontakter, trykksetting, materiale og driftsmiljø. Flens- eller koaksialkontakten må passe til resten av RF-kjeden mekanisk og elektrisk.
Vanlige typer hornantenner
Pyramideformet hornantenne
Et pyramideformet horn utvides i både E-planet og H-planet til en rektangulær bølgeleder. Det er en av de mest brukte horngeometriene og er vanlig i antennemåling, standardforsterkningsreferanseapplikasjoner, radarsystemer og reflektormatinger.
Sektorhornantenne
Et sektorhorn utvider seg i bare ett plan. Et sektorhorn i E-plan utvider seg i E-planet, mens et sektorhorn i H-plan utvider seg i H-planet. Disse designene er nyttige når det er behov for forskjellige strålebredder i de to hovedplanene, eller når mekaniske begrensninger favoriserer en utvidelse i ett plan.
Konisk hornantenne
Et konisk horn mates vanligvis av en sirkulær bølgeleder og har en sirkulær apertur. Det kan støtte rotasjonssymmetriske strålekrav og kan konfigureres for lineær eller sirkulær polarisering, avhengig av mating og eksitert modus.
Bølgepapp hornantenne
Korrugeringer brukes til å kontrollere overflatestrømmer og aperturfelt. Et godt designet korrugert horn kan gi en symmetrisk stråle, lave sidelober og lav krysspolarisering, noe som gjør det attraktivt for presisjonsmating, satellittkommunikasjonssystemer, radioastronomi og måleapplikasjoner.
Dobbeltrillet og bredbåndshornantenne
Rygger modifiserer bølgelederfeltfordelingen og senker den effektive grensefrekvensen, noe som muliggjør bredere driftsbåndbredde enn mange konvensjonelle enkeltmodushorn. Dobbeltrillede bredbåndshorn er mye brukt i EMC-testing, overvåking, bredbåndsmåling og laboratoriesystemer. Forsterkningen, mønsteret og VSWR-en deres bør fortsatt gjennomgås over hele båndet fordi bredbåndsytelsen ikke er ensartet som standard.
Dobbeltpolarisert og sirkulært polarisert hornantenne
Dobbeltpolariserte horn bruker separate porter eller en ortomodestruktur for å støtte to ortogonale polarisasjoner. Sirkulært polariserte horn har en polarisator eller en passende modalstruktur for å generere høyre- eller venstresirkulær polarisering. Viktige spesifikasjoner inkluderer portisolasjon, krysspolarisering og aksialforhold.
Linsehornantenne
Et linsehorn plasserer en elektromagnetisk linse foran hornåpningen for å forme fasefronten. Avhengig av designen kan linsen øke retningsvirkningen, redusere den fysiske lengden som kreves for en målåpning, eller opprette et fokusert felt for materialmåling og nærfeltsapplikasjoner.
Fordeler og begrensninger med hornantenner
Fordeler
- Retningsbestemt stråling med forutsigbare E-plan- og H-planmønstre
- Nyttig forsterkning over mikrobølge- og millimeterbølgefrekvensområder
- God strålingseffektivitet når leder- og overgangstap kontrolleres
- Moderat til bred driftsbåndbredde, avhengig av hornet og matingsdesignet
- Høy effektkapasitet i passende bølgeledermatede konfigurasjoner
- Mekanisk enkelhet og repeterbar ytelse
- Tilgjengelighet i lineære, dobbeltpolariserte og sirkulært polariserte konfigurasjoner
Begrensninger
- Fysisk størrelse øker når frekvensen avtar eller den nødvendige forsterkningen øker
- Svært høy forsterkning kan kreve en stor blenderåpning eller et ekstra objektiv eller reflektor
- Blenderåpningsfasefeil kan begrense forsterkningen og påvirke sidelobe-ytelsen
- Bredbåndsmodeller kan vise betydelige endringer i forsterkning og strålebredde over båndet
- Presisjonspolarisering og krav til lave sidelober kan øke design- og produksjonskompleksiteten
Hornantenneapplikasjoner
Antennemåling og kalibrering
Karakteriserte horn med standard forsterkning brukes ofte som referanseantenner i målinger av forsterkning, strålingsmønster, polarisering og antenneavstand. Deres stabile geometri og godt forståtte oppførsel er nyttig for repeterbart laboratorie- og metrologiarbeid.
EMC- og EMI-testing
Bredbåndshorn brukes til målinger av strålingsemisjon og testing av strålingsimmunitet over mikrobølgefrekvensområder. Testingeniører velger antennen i henhold til ønsket bånd, feltstyrke, effektnivå, forsterkningsvariasjon og kalibreringsdata.
Radar og fjernmåling
Hornantenner kan fungere som frittstående retningsantenner eller som mating for reflektorer i radar-, bildebehandlings-, fjernmålings- og materialkarakteriseringssystemer. Stråleform, polarisasjonsrenhet og sidelobekontroll kan være avgjørende i disse applikasjonene.
Satellitt- og punkt-til-punkt-kommunikasjon
Hornantenner brukes som mate- og retningsantenner i mikrobølge- og millimeterbølgekoblinger. Avhengig av systemet kan ingeniører prioritere forsterkning, strålesymmetri, sirkulær polarisering, lav krysspolarisering eller miljøvern.
Reflektor- og linsemating
Et horn kan belyse en parabolsk reflektor eller dielektrisk linse. Valg av matemønster påvirker blenderåpningens belysning, spillover, effektivitet, sidelober og det generelle strålingsmønsteret til det kombinerte antennesystemet.
Slik velger du en hornantenne
Begynn med de komplette systemkravene i stedet for å velge kun etter forsterkning:
- Definer driftsbåndet.Bekreft minimums- og maksimumsfrekvensene og om kontinuerlig eller punktfrekvensdrift er nødvendig.
- Angi forsterkning og dekningsmål.Sammenlign forsterkningen med E-planets og H-planets strålebredde over hele båndet.
- Velg polariseringen.Velg lineær, dual-lineær, høyresirkulær, venstresirkulær eller dual-sirkulær polarisering etter behov.
- Sjekk mønsterkvaliteten.Gjennomgå sidelober, krysspolarisering, aksialforhold, ytelse fra front til bak og portisolasjon der det er aktuelt.
- Bekreft samsvar og grensesnitt.Bekreft VSWR eller returtap, bølgelederstørrelse, flensstandard, kontakttype og mekanisk montering.
- Tenk på strøm og miljø.Ta hensyn til senderens effekt, driftssyklus, temperatur, værbeskyttelse, radomebehov og installasjonsforhold.
- Bruk måledata der det er nødvendig.For kalibrering, samsvarstesting og presisjonssystemer, bruk det modellspesifikke databladet og målte kalibreringsdata i stedet for å stole på en nominell familiebeskrivelse.
For en praktisk sammenligning av utvalgsfaktorer, seVeiledning for valg av RF MISO-hornantenneDu kan også bla gjennom heleRF MISO hornantenneserie.
Ofte stilte spørsmål
Forsterker en hornantenne et signal?
Nei. En hornantenne er en passiv enhet. Forsterkningen kommer fra å styre sendt eller mottatt energi, ikke fra elektronisk forsterkning.
Er alle hornantenner bredbånd?
Nei. Mange hornantenner tilbyr nyttig båndbredde, men den faktiske rekkevidden avhenger av mating, bølgeledermoduser, flaregeometri, matchende struktur og polarisasjonsnettverk. Dobbeltrillede horn er spesielt designet for bredere båndbredder.
Hva bestemmer forsterkningen på en hornantenne?
Forsterkning påvirkes av elektrisk aperturstørrelse, apertureffektivitet, fase- og amplitudefordeling, ledertap og frekvens. En større elektrisk apertur støtter generelt høyere retningsevne, men god feltkontroll er nødvendig for å konvertere aperturstørrelse til nyttig forsterkning.
Hva er forskjellen mellom et standardforsterkningshorn og et bredbåndshorn?
Et horn med standard forsterkning er utformet for å gi forutsigbar, godt karakterisert forsterkning over det spesifiserte båndet og brukes ofte som en målereferanse. Et bredbåndshorn prioriterer drift over et bredere frekvensområde, med forsterkning og strålebredde som kan variere mer betydelig over det området.
Arbeid med RF MISO
RF MISO leverer standard og tilpassede hornantenner for mikrobølge- og millimeterbølgeapplikasjoner, inkludert pyramideformede, koniske, bredbånds-, korrugerte, dobbeltpolariserte, sirkulært polariserte og linsehorndesign. Valget bør alltid baseres på modellspesifikt frekvensområde, forsterkning, mønster, polarisering, VSWR, grensesnitt og miljøkrav.
Utforsk vårehornantenneprodukter or kontakt RF MISOfor å diskutere søknaden din og de tekniske kravene.
Referanser og videre lesning
Publisert: 28. mars 2024
